[論文レビュー] Repetitive single electron spin readout in silicon

Jun Yoneda, Kenta Takeda+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、隣接するイジング結合量子ドットスピンをメーターとして用いることで、シリコン中の単一電子スピンの量子非破壊（QND）読み出しを実証した。平均99%の忠実度で1回の測定が達成され、1.2 msの間に同一スピン状態を20回以上繰り返し読み出し可能であり、全体の測定忠実度は最大95%に達し、99.6%を超える忠実度で予言的基底状態準備が可能である。

ABSTRACT

Single electron spins confined in silicon quantum dots hold great promise as a quantum computing architecture with demonstrations of long coherence times, high-fidelity quantum logic gates, basic quantum algorithms and device scalability. While single-shot spin detection is now a laboratory routine, the need for quantum error correction in a large-scale quantum computing device demands a quantum non-demolition (QND) implementation. Unlike conventional counterparts, the QND spin readout imposes minimal disturbance to the probed spin polarization and can therefore be repeated to extinguish measurement errors. However, it has remained elusive for an electron spin in silicon as it involves exquisite exposure of the system to the external circuitry for readout while maintaining the coherence and integrity of the qubit. Here we show that an electron spin qubit in silicon can be measured in a highly non-demolition manner by probing another electron spin in a neighboring dot Ising-coupled to the qubit spin. The high non-demolition fidelity (99% on average) enables over 20 readout repetitions of a single spin state, yielding an overall average measurement fidelity of up to 95% within 1.2 ms. We further demonstrate that our repetitive QND readout protocol can realize heralded high-fidelity (> 99.6%) ground-state preparation. Our QND-based measurement and preparation, mediated by a second qubit of the same kind, will allow for a new class of quantum information protocols with electron spins in silicon without compromising the architectural homogeneity.

研究の動機と目的

• シリコン量子ドットにおける単一電子スピンの量子非破壊（QND）測定プロトコルを開発し、キュービット状態を損なわず繰り返し読み出しを可能にする。
• スケーラブルなシリコンベースの量子計算アーキテクチャにおいて、スピンコherenCeを維持しながら高忠実度で繰り返し読み出しを実現する課題を克服する。
• 隣接する量子ドットに配置された第二のアーキテクチャスピンが、ターゲットキュービットスピンの高忠実度で非破壊的測定を可能にすることを実証する。
• QND読み出しプロトコルを用いて、99.6%を超える忠実度で予言的基底状態準備を達成する。
• キュービットと読み出しに同じ電子スピンを用いることで、アーキテクチャの均一性を保ち、シリコン量子プロセッサにおけるスケーラブル統合を可能にする。

提案手法

• 2つの電子スピン（1つをキュービット、1つを読み出しアーキテクチャとして使用）を有するシリコン内の二重量子ドット系を採用する。
• 交換相互作用を介してキュービットとアーキテクチャスピンの間でイジング型スピンスピン結合を実装し、条件付きダイナミクスを可能にする。
• アーキテクチャスピンのシングルショット電荷読み出しを用いて、キュービットスピンの状態を崩さずに推定する。これにより非破壊測定が実現される。
• QND読み出しプロトコルを複数回繰り返し、統計的平均化によって測定誤差を低減する。
• 繰り返し読み出しを用いて、キュービットを高忠実度で基底状態に準備する予言的プロトコルを実装する。
• 外部回路との相互作用を最小限に抑え、精密に調整されたゲート電圧を用いることで、高いスピンコherenCeを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン量子ドット内の単一電子スピンは、状態に最小限の影響を与えることで繰り返し測定可能か？
• RQ2 シリコンベースのシステムにおいて、高忠実度を維持したまま、非破壊読み出しを何回まで繰り返せるか？
• RQ3 QND読み出しプロトコルを用いて、キュービットスピンの高忠実度基底状態準備を予言的に可能にするか？
• RQ4 隣接するドットに配置された第二の同一電子スピンを測定アーキテクチャとして用いることで、全体の測定忠実度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 スケーラブルな量子計算アーキテクチャにおいて、QNDプロトコルは繰り返し測定を可能にしつつ、スピンコherenCeをどの程度維持できるか？

主な発見

• QND読み出しは1回あたり平均99%の忠実度を達成し、同一スピン状態を20回以上繰り返し読み出し可能である。
• 1.2 msの間の繰り返し読み出し後、全体の測定忠実度は最大95%に達し、測定誤差が顕著に低減された。
• QNDプロトコルを用いてキュービットスピンの予言的基底状態準備が99.6%を超える忠実度で達成された。
• 外部回路との相互作用を最小限に抑えつつ高忠実度読み出しを実現したため、高いスピンコherenCeが維持された。
• 隣接する量子ドットに同一のアーキテクチャスピンを用いることで、アーキテクチャの均一性が保たれ、スケーラビリティが向上した。
• イジング結合アーキテクチャスピンにより、キュービット状態を崩さない条件付き読み出しが可能となり、非破壊要件を満たした。