[論文レビュー] Two-qubit silicon quantum processor with operation fidelity exceeding 99%

A. R. Mills, C. R. Guinn+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、イソトープで均一化された28Si量子ドットとコバルトマイクロマグネットを用いて、同時に1キュービットゲートのゲート fidelity が99%を超える2キュービットのシリコンスピン量子プロセッサを実現した。2キュービットの制御位相（CZ）ゲートの fidelity は99.81%に達し、スピン共鳴を用いて実現された。高精度な状態準備、測定、ゲート操作は、ゲートセットトモグラフィーとランダム化ベンチマークによる検証を経て、フェイルセーフな量子計算に向けたシリコンスピンキュービットの実現可能性を示している。

ABSTRACT

Silicon spin qubits satisfy the necessary criteria for quantum information processing. However, a demonstration of high fidelity state preparation and readout combined with high fidelity single- and two-qubit gates, all of which must be present for quantum error correction, has been lacking. We use a two qubit Si/SiGe quantum processor to demonstrate state preparation and readout with fidelity over 97%, combined with both single- and two-qubit control fidelities exceeding 99%. The operation of the quantum processor is quantitatively characterized using gate set tomography and randomized benchmarking. Our results highlight the potential of silicon spin qubits to become a dominant technology in the development of intermediate-scale quantum processors.

研究の動機と目的

• シリコンベースのスピンキュービットプラットフォームにおいて、高精度な1キュービットおよび2キュービットの量子操作を達成すること。
• これまでの性能を制限していた、シリコン量子ドットにおける高い状態準備および測定（SPAM）誤差という長年の課題に取り組むこと。
• シリコンスピンキュービットが、超伝導キュービットや捕獲イオンキュービットと同等のゲート fidelity を達成できることを示すこと。
• ゲートセットトモグラフィーとランダム化ベンチマークを用いた厳密な特徴付け手法により、完全な量子プロセッサの検証を行うこと。
• シリコンマイクロエレクトロニクス互換技術を用いて、スケーラブルなフェイルセーフな中規模量子プロセッサへの道筋を確立すること。

提案手法

• イソトープで均一化された28Siを用いた6キュービットの線形配列シリコン/ケイ酸ゲルマニウム（Si/SiGe）量子ドットを用い、電子スピンのコherenct 時間を延長した。
• コバルトマイクロマグネットを用いて局所的な磁場勾配を生成し、電気双極子スピン共鳴（EDSR）を用いて1キュービット操作を実現した。
• （1,1）電荷状態におけるリザーバートンネルを用いてスピンから電荷への変換を実装し、状態の初期化と読み取りを実現した。
• ゲートセットトモグラフィー（GST）を用いて1キュービットゲート（I、Xπ/2、Yπ/2）の fidelity と SPAM エラーを測定した。
• 2キュービットのインターリーブドランダム化ベンチマーク（RB）を用い、CZゲートと合成されたCNOTゲートの fidelity を、クリフォードシーケンスに挿入することで測定した。
• ゲート電圧（VB2）による交換相互作用の調整と、位相シフト（Zϕ）の調整により、C-Phaseゲートの最適化を実施し、高精度を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンスピンキュービットは、高精度な1キュービットゲートとSPAMの維持を保ちつつ、2キュービットゲートの fidelity が99%を超えることができるか？
• RQ2 SPAM エラーは、シリコン量子ドットプロセッサの性能をどの程度制限しており、3%未満にまで低減可能か？
• RQ3 ゲート fidelity と操作速度の観点から、シリコンスピンキュービットは超伝導キュービットや捕獲イオンキュービットと比較して、どの程度の性能を示すか？
• RQ4 ゲートセットトモグラフィーとランダム化ベンチマークは、2キュービットのシリコン量子プロセッサの特徴付けと検証に効果的に用いることができるか？
• RQ5 現在のプロセス技術と制御技術を用いて、フェイルセーフな量子計算がシリコンベースのスピンキュービットで実現可能か？

主な発見

• 2キュービットの制御位相（CZ）ゲートの fidelity は 99.81 ± 0.17% を達成し、99.8% を超え、シリコンスピンキュービットの新しいベンチマークを樹立した。
• ゲートセットトモグラフィーを用いた測定により、1キュービットゲートの fidelity は99.9%以上を記録。Q1とQ2のそれぞれについて、T2*とT2のデコherence 時間は1.7 μs および 2.3 μs であった。
• 状態準備および測定（SPAM）の fidelity は非常に低く、初期化 fidelity はQ1で99.4%、Q2で97.5%、測定 fidelity はQ1で98.1%、Q2で99.8%であった。
• インターリーブドランダム化ベンチマークを用いた合成 CNOT ゲートの fidelity は 98.62 ± 0.16% を達成し、高精度な2キュービット操作を確認した。
• SPAM を含む総合的な操作 fidelity は、フェイルセーフな量子誤り訂正の閾値を上回っており、SPAM エラーは3%未満であった。
• 結果として、シリコンスピンキュービットが超伝導キュービットと同等のゲート fidelity を達成でき、捕獲イオンキュービットよりも高速な操作速度を有することを示し、スケーラブルな量子プロセッサへの実現可能性を確立した。