[논문 리뷰] Fast universal quantum control above the fault-tolerance threshold in silicon

Akito Noiri, Kenta Takeda외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 05.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 41인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 마이크로마그넷에 의해 유도된 기울기 자장을 통해 빠른 전기적 제어를 구현하고, 조절 가능한 두 큐비트 상호작용을 적용함으로써 실리콘 스핀 큐비트에서 고장내성 임계값을 초월하는 보편적인 양자 게이트 품질을 입증한다. 단일 큐비트 게이트 품질은 99.8%에 도달하고, 두 큐비트 게이트 품질은 99.5%에 도달하여, Deutsch-Jozsa 및 그로버 검색 알고리즘을 고신뢰도로 실행할 수 있다.

ABSTRACT

Fault-tolerant quantum computers which can solve hard problems rely on quantum error correction. One of the most promising error correction codes is the surface code, which requires universal gate fidelities exceeding the error correction threshold of 99 per cent. Among many qubit platforms, only superconducting circuits, trapped ions, and nitrogen-vacancy centers in diamond have delivered those requirements. Electron spin qubits in silicon are particularly promising for a large-scale quantum computer due to their nanofabrication capability, but the two-qubit gate fidelity has been limited to 98 per cent due to the slow operation.Here we demonstrate a two-qubit gate fidelity of 99.5 per cent, along with single-qubit gate fidelities of 99.8 per cent, in silicon spin qubits by fast electrical control using a micromagnet-induced gradient field and a tunable two-qubit coupling. We identify the condition of qubit rotation speed and coupling strength where we robustly achieve high-fidelity gates. We realize Deutsch-Jozsa and Grover search algorithms with high success rates using our universal gate set. Our results demonstrate the universal gate fidelity beyond the fault-tolerance threshold and pave the way for scalable silicon quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 이전에 98%로 제한되었던 실리콘 스핀 큐비트에서의 두 큐비트 게이트 품질을 향상시켜 고장내성 양자 계산을 가능하게 하기 위해.
• 서페이스 코드 오류 수정에 요구되는 99% 이상의 품질을 확보함으로써 실리콘 기반 큐비트에서 보편적인 양자 제어를 실현하기 위해.
• 확장 가능한 실리콘 플랫폼에서 보편 게이트 세트를 사용하여 고신뢰도의 양자 알고리즘을 실행하는 것을 입증하기 위해.
• 높은 품질의 두 큐비트 연산을 유지할 수 있는 최적의 큐비트 회전 속도 및 결합 강도 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 마이크로마그넷를 사용하여 공간적으로 변화하는 자기장 기울기장을 생성함으로써 실리콘 내 전자 스핀 큐비트의 빠른 전기적 제어를 가능하게 한다.
• 게이트 정의된 큐비트 도트를 통해 조절 가능한 두 큐비트 상호작용을 구현하여 상호작용 강도를 동적으로 조절한다.
• 최적화된 전기 펄스를 사용하여 단일 및 두 큐비트 게이트를 고신뢰도로 수행함으로써 디코herence와 제어 오류를 최소화한다.
• 큐비트 회전 속도와 결합 강도를 균형 있게 조절하여 제어 불완전성에 대한 강건성을 확보하기 위해 게이트 파arameter를 校정한다.
• 랜덤라이즈드 레퍼런싱을 사용하여 게이트 품질을 검증하고, Deutsch-Jozsa 및 그로버 검색과 같은 기준 양자 알고리즘을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 전기적 제어와 조절 가능한 상호작용을 통해 실리콘 스핀 큐비트에서 두 큐비트 게이트 품질을 99% 이상으로 끌어올릴 수 있는가?
• RQ2 높은 품질의 보편적인 양자 게이트를 얻기 위해 큐비트 회전 속도와 결합 강도의 최적 운영 조건은 무엇인가?
• RQ3 실리콘 기반 스핀 큐비트 플랫폼에서 99% 이상의 품질을 갖는 보편 게이트 세트를 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 게이트 세트를 사용하여 실리콘에서 고신뢰도의 양자 알고리즘을 성공적으로 실행할 수 있는가?

주요 결과

• 두 큐비트 게이트 품질은 실험적으로 99.5%에 도달하여 서페이스 코드 기반의 양자 오류 수정에 요구되는 99% 임계값을 초월하였다.
• 단일 큐비트 게이트 품질은 99.8%에 도달하여 보편적인 양자 계산에 필수적인 고신뢰도의 단일 큐비트 연산을 나타내었다.
• Deutsch-Jozsa 및 그로버 검색 알고리즘의 구현이 고신뢰도로 성공하여 게이트 세트의 보편성과 신뢰성 확인하였다.
• 큐비트 회전 속도와 결합 강도를 균형 있게 조절함으로써 높은 품질의 게이트를 유지할 수 있는 강건한 운영 영역를 규명하였다.