[논문 리뷰] Robust quantum control for the manipulation of solid-state spins

Yifan Zhang, Hao Wu외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 05.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심에서 고정밀 단일 큐비트 게이트를 달성하기 위해 최적 제어 알고리즘을 사용하여 강건한 양자 제어를 구현함을 보여준다. 이는 떨어진 공명 조건과 라비 주파수 변동에 의한 오차를 동시에 억제한다. 실험적으로 실현된 강건 최적 제어(Reduced Optimal Control, ROC) 펄스를 통해 저자들은 10%의 떨어진 공명 조건과 라비 오차 조건 하에서도 단일 큐비트 게이트의 정밀도를 최대 99.97%까지 달성하였으며, 유한한 펄스 폭으로 인한 동적 분리 시퀀스에서의 부가적 스펙트럼 피크도 억제하였다.

ABSTRACT

Robust and high-fidelity control of electron spins in solids is the cornerstone for facilitating applications of solid-state spins in quantum information processing and quantum sensing. However, precise control of spin systems is always challenging due to the presence of a variety of noises originating from the environment and control fields. Herein, noise-resilient quantum gates, designed with robust optimal control (ROC) algorithms, are demonstrated experimentally with nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond to realize tailored robustness against detunings and Rabi errors simultaneously. In the presence of both 10% off-resonant detuning and deviation of a Rabi frequency, we achieve an average single-qubit gate fidelity of up to 99.97%. Our experiments also show that, ROCbased multipulse quantum sensing sequences can suppress spurious responses resulting from finite widths and imperfections of microwave pulses, which provides an efficient strategy for enhancing the performance of existing multipulse quantum sensing sequences.

연구 동기 및 목표

• 환경적 요인과 제어장치 노이즈가 존재하는 상황에서도 고정밀 작동을 가능하게 하는 하드웨어 우호적인 양자 제어 방법을 개발하는 것.
• 기존 복합 펄스의 한계를 해결하기 위해 단일 오차 유형에만 강건하거나 과도하게 긴 펄스 길이가 필요한 방법에 대비하는 것.
• 실험적 NV 중심 시스템에서 떨어진 공명 조건과 라비 주파수 오차에 동시에 강건한 성능을 보이는 것을 입증하는 것.
• ROC 기반의 동적 분리 시퀀스를 통해 유한한 펄스 폭과 불완전성으로 인한 부가적 스펙트럼 반응을 억제하는 것.

제안 방법

• 저자들은 떨어진 공명 조건과 라비 주파수 오차에 대해 최대 제2차까지 민감도를 최소화하는 형태의 마이크로파 펄스를 설계하기 위해 강건 최적 제어(Reduced Optimal Control, ROC) 알고리즘을 사용한다.
• ROC 펄스 설계는 게이트 정밀도와 노이즈 매개변수에 대한 진화 연산자의 방향 도함수 억제를 포함하는 피트니스 함수를 최적화하여 수행된다.
• 반복 최적화를 통해 펄스 시퀀스를 생성한다: 시스템 진화 시뮬레이션 → 피트니스 계산 → 기울기 상승을 이용한 펄스 매개변수 업데이트 → 수렴할 때까지 반복한다.
• 이 방법은 떨어진 공명 조건($\epsilon_1$)과 라비 오차($\epsilon_2$)에 대한 노이즈 가중치를 포함하며, 최대 순서 $m_{\text{max}}$까지의 방향 도함수를 사용하여 강건성을 향상시킨다.
• 유한한 펄스 폭으로 인한 부가적 스펙트럼 피크를 억제하기 위해 ROC 펄스를 동적 분리(Dynamical Decoupling, DD) 시퀀스에 통합한다.
• 랜덤라이즈드 랜딩 기반의 평균 게이트 정밀도를 검증하기 위해, NV 중심의 기본 상태에 무작위 패러티 및 클리포드 게이트 시퀀스를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강건 최적 제어(Reduced Optimal Control, ROC)는 고체 상태 스핀 시스템에서 떨어진 공명 조건과 라비 주파수 오차를 동시에 억제하면서도 고정밀도 게이트 작동을 가능하게 하는가?
• RQ2 합성 노이즈 조건 하에서 ROC 기반 펄스 형상화 기법이 기존의 정사각형 펄스와 복합 펄스에 비해 강건성과 정밀도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 ROC 기반의 동적 분리 시퀀스는 유한한 마이크로파 펄스 폭으로 인한 부가적 스펙트럼 피크를 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ4 10%의 떨어진 공명 조건과 10%의 라비 오차가 존재하는 현실적인 실험 조건 하에서 ROC 펄스를 NV 중심에 적용했을 때 달성 가능한 게이트 정밀도는 얼마인가?
• RQ5 ROC 기반 제어는 다이아몬드 내 NV 중심과 같은 기존의 양자 하드웨어 플랫폼에서 효율적으로 구현 가능한가?

주요 결과

• 10%의 떨어진 공명 조건과 10%의 라비 주파수 편차 조건 하에서도 저자들은 단일 큐비트 게이트 정밀도를 최대 99.97%까지 달성하였으며, 복합 오차에 대한 높은 강건성을 입증하였다.
• 모의 실험과 실험적 검증을 통해 ROC 펄스는 기존의 정사각형 펄스에 비해 훨씬 넓고 평탄한 강건 영역를 가지며, 이는 강건성 향상에 기여한다.
• ROC 기반의 동적 분리 시퀀스에서는 유한한 펄스 폭으로 인한 부가적 스펙트럼 피크가 강력하게 억제되어 양자 센싱의 정확도가 향상된다.
• ROC 펄스의 실험적 구현은 다양한 노이즈 실현 조건에서도 일관된 성능을 보이며, 이는 방법의 신뢰성과 재현 가능성을 확인한다.
• 랜덤라이즈드 랜딩 검증 결과, 평균 게이트 정밀도가 매우 높으며, 관측된 99.97%의 단일 게이트 정밀도와 일치하는 정밀도 감쇠율을 보였다.