[论文解读] Computing with spin qubits at the surface code error threshold

Xiao Xue, Maximilian Russ+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 40被引用 17

一句话总结

该论文展示了一种基于硅的自旋量子比特处理器，通过量子门集层析成像与哈密顿量工程，实现了单量子比特和双量子比特门保真度超过99.5%，达到表面码容错阈值，从而实现容错量子计算。高保真度门成功执行了变分量子本征求解器，以20毫哈特里精度计算了分子氢的解离能，其精度受限于读出误差。

ABSTRACT

High-fidelity control of quantum bits is paramount for the reliable execution of quantum algorithms and for achieving fault-tolerance, the ability to correct errors faster than they occur. The central requirement for fault-tolerance is expressed in terms of an error threshold. Whereas the actual threshold depends on many details, a common target is the ~1% error threshold of the well-known surface code. Reaching two-qubit gate fidelities above 99% has been a long-standing major goal for semiconductor spin qubits. These qubits are well positioned for scaling as they can leverage advanced semiconductor technology. Here we report a spin-based quantum processor in silicon with single- and two-qubit gate fidelities all above 99.5%, extracted from gate set tomography. The average single-qubit gate fidelities remain above 99% when including crosstalk and idling errors on the neighboring qubit. Utilizing this high-fidelity gate set, we execute the demanding task of calculating molecular ground state energies using a variational quantum eigensolver algorithm. Now that the 99% barrier for the two-qubit gate fidelity has been surpassed, semiconductor qubits have gained credibility as a leading platform, not only for scaling but also for high-fidelity control.

研究动机与目标

• 通过达到约1%的表面码容错阈值，实现容错量子计算。
• 克服半导体自旋量子比特中长期存在的双量子比特门保真度低下的挑战，该问题曾限制算法精度。
• 在与现有半导体制造工艺兼容的硅基平台上，展示可扩展的高保真度量子操作。
• 通过在真实设备上执行如VQE等非平凡量子算法，实现近期实用的量子优势。

提出的方法

• 采用量子门集层析成像（GST）对单量子比特和双量子比特门进行高精度表征与校准。
• 利用同素体富集的²⁸Si/SiGe异质结构中的门定义双量子点，实现具有长相干时间的电子自旋量子比特。
• 通过微磁体实现电偶极自旋共振（EDSR），实现快速、高保真度的单量子比特旋转。
• 通过屏障门调控可调交换相互作用，实现绝热cphase门，且在对称势条件下最小化电荷噪声敏感性。
• 在Ramsey序列中使用解耦绝热脉冲，精确确定对称操作点并校准门参数。
• 通过迭代优化门参数，利用GST导出的误差生成器和哈密顿量误差模型，校正串扰和相位误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 半导体自旋量子比特中的双量子比特门保真度能否超过99.5%，以满足表面码容错阈值？
• RQ2 在多量子比特系统中，如何减轻串扰和空闲误差，以保持高单量子比特门保真度？
• RQ3 高保真度门是否能够实现在真实自旋量子比特处理器上执行非平凡量子算法（如变分量子本征求解器，VQE）？
• RQ4 哈密顿量误差和由串扰引起的相位漂移在多大程度上影响门保真度？能否通过基于GST的校准实现校正？
• RQ5 在高保真度自旋量子比特平台上，通过VQE实现的分子能级计算能达到多高的精度？

主要发现

• 单量子比特门保真度超过99.5%，即使在包含邻近量子比特串扰和空闲误差的情况下，仍保持在99%以上。
• 经过基于GST的校准后，双量子比特cphase门保真度达到99.65%，超过表面码容错所需的99%阈值。
• 贝尔态保真度达到|Ψ⁺⟩和|Ψ⁻⟩为98.42%，|Φ⁺⟩和|Φ⁻⟩为97.75%，表明具有高纠缠保真度。
• VQE实现计算出H₂的解离能精度约为20毫哈特里，受限于读出误差。
• GST揭示了由串扰引起的系统性误差，如IZ、ZI和ZZ项，通过调整脉冲幅度和相位校正得以校正。
• 基于GST的哈密顿量误差校正使脉冲波形和J包络轮廓得以精确调节，直接提升了门保真度并降低了噪声敏感性。