[논문 리뷰] Feedback-tuned noise-resilient gates for encoded spin qubits

Pascal Cerfontaine, Tim Botzem외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 06.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 GaAs 이중 양자점에 의해 인코딩된 이전자리 스핀 큐비트에서 고정밀 단일 큐비트 게이트를 구현하기 위해 피드백 튜닝 제어 프로토콜인 GAMBIT을 제안한다. 토모그래피 피드백를 통해 반복적으로 펄스 오차를 교정함으로써, 저자들은 98.5%의 게이트 허용도와 0.4%의 릭리지 비율을 달성하였으며, III-V 반도체에서의 전하 노이즈와 핵 스핀 변동성에 대해 뛰어난 내성을 보였다.

ABSTRACT

Two level quantum mechanical systems like spin 1/2 particles lend themselves as a natural qubit implementation. However, encoding a single qubit in several spins reduces the resources necessary for qubit control and can protect from decoherence channels. While several varieties of such encoded spin qubits have been implemented, accurate control remains challenging, and leakage out of the subspace of valid qubit states is a potential issue. Here, we realize high-fidelity single qubit operations for a qubit encoded in two electron spins in GaAs quantum dots by iterative tuning of the all-electrical control pulses. Using randomized benchmarking, we find an average gate fidelity of $\mathcal{F} = (98.5 \pm 0.1)\,\%$ and determine the leakage rate between the computational subspace and other states to $\mathcal{L} = (0.4\pm0.1)\,\%$. These results also demonstrate that high fidelity gates can be realized even in the presence of nuclear spins as in III-V semiconductors.

연구 동기 및 목표

• 비선형성과 노이즈로 인해 전통적인 제어 방법이 어려운 GaAs 이중 양자점에 인코딩된 이전자리 스핀 큐비트에서 고정밀 단일 큐비트 연산을 달성하기 위해.
• 모든 전기적 제어에서의 펄스 형상의 불완전성, 비선형 전달 함수, 노이즈 민감성 등 체계적 오차를 해결하기 위해.
• III-V 반도체에서 주요 과제로 여겨지는 핵 스핀 변동성 존재하에서도 고정밀 게이트를 실현할 수 있음을 보여주기 위해.
• 토모그래피 정보를 활용해 반복적으로 게이트 펄스를 튜닝하는 피드백 제어 루프(GAMBIT)를 개발하고 구현하여, 표준 무작위 기준화 보다 뛰어난 수렴 성능을 확보하기 위해.
• 계산 하위공간(s_z = 0)에서 비계산 트리플렛 상태로의 릭리지 비율을 정량화하고 최소화함으로써, 인코딩된 큐비트의 안정성에 핵심적인 영향을 미치는 지표를 확보하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 기저대역 제어 펄스를 사용하여 전기적 탈조도 ε를 통해 스핀 교환 상호작용 J(ε)를 제어함으로써, (1,1) 전하 구성에서 모든 전기적 단일 큐비트 연산을 가능하게 하였다.
• 비선형 탈조도에 따른 교환 결합의 의존성은 수치 모델 J(ε) = J₀ exp(ε/ε₀)를 사용해 시뮬레이션하였으며, 이는 펄스 설계에 기초가 되었다.
• GAMBIT 피드백 루프는 오차 심호를 위한 토모그래피 측정 결과를 반복적으로 활용하여, 이상적인 목표 상태에서의 편차를 최소화함으로써 제어 펄스를 튜닝한다.
• 읽기 출력 전압의 평균을 사용해 상태 확률을 추정하며, 혼합 상태와 트리플렛 상태에 대한 기준 전압을 설정하여 오차 신호를 校정한다.
• 게이트 허용도와 릭리지 비율을 측정하기 위해 무작위 기준화(RB)를 활용하였으며, 특히 T₊ 및 T₋ 상태로의 하위공간 릭리지를 특성화하는 데 중점을 두었다.
• 프로토콜은 펄스 왜곡을 최소화하기 위해 바이어스 티를 장착한 고유의 웨이브폼 생성기와 디지타이저를 사용하여 구현되었으며, 상태 준비 및 측정은 아디아바틱 전하-스핀 매핑을 통해 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형성과 노이즈가 존재하는 GaAs 양자점에 인코딩된 이전자리 스핀 큐비트에서 모든 전기적 제어를 통해 고정밀 단일 큐비트 게이트를 달성할 수 있는가?
• RQ2 핵 스핀 변동성과 전하 노이즈는 GaAs 기반 스핀 큐비트의 게이트 허용도를 어느 정도 제한하는가? 이러한 영향은 최적의 게이트 설계로 완화될 수 있는가?
• RQ3 토모그래피 오차 신호를 기반으로 한 피드백 제어 루프(GAMBIT)가 표준 무작위 기준화 기반 피드백보다 수렴성과 허용도 향상에서 뛰어나게 작용할 수 있는가?
• RQ4 실제로 계산 하위공간(s_z = 0)에서 다른 트리플렛 상태로의 릭리지 비율은 얼마이며, 게이트 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템에서 관측된 허용도가 전하 노이즈 또는 핵 스핀 변동성에 의해 더 제한되는가? 게이트 설계에서의 노이즈 상쇄 기법은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 무작위 기준화를 통해 평균 게이트 허용도 98.5% ± 0.1%를 달성하여, 고체 상태 스핀 큐비트에서 고정밀 제어가 가능함을 입증하였다.
• 계산 하위공간(s_z = 0)에서 다른 상태로의 릭리지 비율은 0.4% ± 0.1%로 측정되어 강력한 하위공간 보호가 이루어졌음을 시사한다.
• 전하 노이즈가 비일관성의 주요 원인임이 밝혀졌으며, 최적화된 게이트 펄스에서의 노이즈 상쇄 기법 덕분에 핵 스핀 변동성의 영향은 놀랍게 미미하였다.
• GAMBIT 피드백 루프는 토모그래피 정보를 활용하여 고정밀 펄스로 수렴에 성공하였으며, 매개변수 공간과 수렴 속도 면에서 표준 RB 기반 피드백을 뛰어넘었다.
• 핵 스핀 변동성 존재하에서도 높은 허용도를 유지함으로써, III-V 반도체가 고정밀 인코딩 큐비트를 지원할 수 있음을 입증하였다.
• 측정된 허용도와 릭리지 값은 SPAM 오차에 대해 뚜렷하게 강인하였으며, 기준화 시퀀스에서 점점 줄어드는 싱เก릿 확률 0.36을 통해 릭리지가 붕괴의 주요 원인임을 확인하였다.