[논문 리뷰] Two-qubit logic between distant spins in silicon

Jurgen Dijkema, Xiao Xue외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 25.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실리콘에서 250 nm 떨어진 두 개의 전자 스핀 큐비트 사이에 초전도성 공진기를 통해 가상의 광자로 인해 디스פרס브한 영역에서 스핀-스핀 결합을 매개하는 방식으로, 두 큐비트 간에 일관된 iSWAP 작동을 구현한다. 실험은 제어 가능한 반-phase 진동과 나노초 수준의 얽힘 게이트를 달성하여 직접적인 교환 상호작용을 초월하는 장거리 연결성을 갖춘 확장 가능한 칩 내 양자 네트워크를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Direct interactions between quantum particles naturally fall off with distance. For future-proof qubit architectures, however, it is important to avail of interaction mechanisms on different length scales. In this work, we utilize a superconducting resonator to facilitate a coherent interaction between two semiconductor spin qubits 250 $μ$m apart. This separation is several orders of magnitude larger than for the commonly employed direct interaction mechanisms in this platform. We operate the system in a regime where the resonator mediates a spin-spin coupling through virtual photons. We report anti-phase oscillations of the populations of the two spins with controllable frequency. The observations are consistent with iSWAP oscillations and ten nanosecond entangling operations. These results hold promise for scalable networks of spin qubit modules on a chip.

연구 동기 및 목표

• 직접적인 교환 상호작용의 한계를 초월하여 실리콘 스핀 큐비트 간의 장거리 두 큐비트 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 디스퍼스브 영역에서 초전도성 공진기를 매개체로 사용하여 250 nm 거리의 두 스핀 간에 일관된 스핀-스핀 결합을 구현하기 위해.
• 나노초 수준의 작동 시간을 갖는 고정도 두 큐비트 양자 게이트(iSWAP 및 √iSWAP)를 달성하기 위해.
• 공진기를 통한 스핀 상호작용을 활용한 모듈식이고 칩 내 양자 아키텍처의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 큐비트에서 두 개의 떨어진 단일 전자 스핀 큐비트 간의 일관된 스핀-스핀 결합을 초전도성 NbTiN 칩 내 공진기를 통해 매개하기 위해 사용한다.
• 큐비트 주파수가 공진기 주파수에서 떨어져 있어 광자 누출을 억제하고 가상 광자 교환을 가능하게 하는 디스퍼스브 영역에서 작동한다.
• 마이크로파 탐측 및 디스퍼스브 읽기 방법을 사용하여 개별 큐비트 상태를 모니터링하고, 최적의 양자 간섭성을 확보하기 위해 플롭모드 작동점으로 조정한다.
• 시간 영역 제어를 적용하여 두 스핀 간의 iSWAP 진동을 유도하며, 주파수는 스핀-공진기 떨어짐과 큐비트 주파수 차이에 의해 제어된다.
• 실험적으로 측정된 매개변수를 포함한 전체 마스터 방정식 모델을 사용하여 관측된 교환 진동을 시뮬레이션하고 피팅하며, 이에 따라 리라크세이션, 디코herence, 스핀-광자 결합을 포함한다.
• 모의된 과정 행렬의 양자 과정 토모그래피를 통해 게이트 허용도를 추정하며, 이상적인 iSWAP 및 √iSWAP 게이트와 모의된 동역학을 비교한다.

Figure 1: Dot-resonator-dot device. a. False-colored optical image of the device that is used in this work, showing the resonator, ground planes and the gate fan-out of the double quantum dots (DQDs). The microwave (MW) in/out ports are used to probe the transmission through the resonator, and the D

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘에서 250 nm 떨어진 두 스핀 큐비트가 초전도성 공진기를 매개체로 사용하여 일관적으로 얽힐 수 있는가?
• RQ2 디스퍼스브 영역에서 공진기를 통한 두 큐비트 게이트의 실현 가능한 허용도와 작동 시간은 무엇인가?
• RQ3 iSWAP 진동 주파수는 스핀-공진기 떨어짐, 스핀-광자 결합 강도, 큐비트 주파수 떨어짐에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 주파수 이격 또는 자기장 기울기 불확실성과 같은 실험적 편차가 게이트 성능에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실험은 제어 가능한 주파수로 반-phase 진동을 보이며, iSWAP 동역학과 일치하는 두 스핀 큐비트의 인구 분포 진동을 입증한다.
• 82.5%의 허용도를 달성한 √iSWAP 게이트와 70.3%의 허용도를 기록한 iSWAP 게이트는 고정도 두 큐비트 작동을 나타낸다.
• iSWAP 게이트의 작동 시간은 약 10 나노초로, 확장 가능한 양자 계산에 적합한 빠른 얽힘 작동을 가능하게 한다.
• 스핀-스핀 결합 강도는 최대 21.2 MHz까지 측정되었으며, 스핀-광자 결합 강도는 최대 29.7 MHz에 도달하여 강한 공진기 매개 상호작용을 나타낸다.
• 큐비트 리라크세이션 및 디코herence 시간과 같은 실험적으로 측정된 매개변수를 고려할 때 관측된 진동 주파수는 이론적 시뮬레이션과 일치한다.
• 허용도 추정치는 리라크세이션, 디코herence 및 단일 큐비트 위상 진동을 포함한 전체 모델 시뮬레이션 기반으로 산출되었으며, 게이트 프로토콜의 강건성을 검증한다.

Figure 2: Rabi oscillations for qubit 1 ( a ) and qubit 2 ( b ), driven in the flopping-mode regime. The measured transmission through the resonator as a function of applied MW burst time, resonant with qubit 1 and qubit 2 respectively, is shown by the data points. The solid lines represent fits to