[论文解读] Fast universal quantum control above the fault-tolerance threshold in silicon

Akito Noiri, Kenta Takeda+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 41被引用 5

一句话总结

该论文通过利用微磁体诱导的梯度磁场实现快速电控，并实现可调的两比特耦合，展示了硅自旋量子比特中通用量子门保真度超过容错阈值。其单量子比特门保真度达到99.8%，两量子比特门保真度达到99.5%，实现了德意志-乔萨与Grover搜索算法的高保真实现。

ABSTRACT

Fault-tolerant quantum computers which can solve hard problems rely on quantum error correction. One of the most promising error correction codes is the surface code, which requires universal gate fidelities exceeding the error correction threshold of 99 per cent. Among many qubit platforms, only superconducting circuits, trapped ions, and nitrogen-vacancy centers in diamond have delivered those requirements. Electron spin qubits in silicon are particularly promising for a large-scale quantum computer due to their nanofabrication capability, but the two-qubit gate fidelity has been limited to 98 per cent due to the slow operation.Here we demonstrate a two-qubit gate fidelity of 99.5 per cent, along with single-qubit gate fidelities of 99.8 per cent, in silicon spin qubits by fast electrical control using a micromagnet-induced gradient field and a tunable two-qubit coupling. We identify the condition of qubit rotation speed and coupling strength where we robustly achieve high-fidelity gates. We realize Deutsch-Jozsa and Grover search algorithms with high success rates using our universal gate set. Our results demonstrate the universal gate fidelity beyond the fault-tolerance threshold and pave the way for scalable silicon quantum computers.

研究动机与目标

• 为克服此前硅自旋量子比特中两量子比特门保真度受限于98%的问题，该问题曾阻碍容错量子计算的实现。
• 通过实现超过99%保真度的门操作，使硅基量子比特具备通用量子控制能力，以满足表面码纠错所需条件。
• 在可扩展的硅平台上，通过通用门集实现高保真度量子算法的演示。
• 确定实现鲁棒、高保真两量子比特操作的最优条件，包括量子比特旋转速度与耦合强度。

提出的方法

• 利用微磁体产生空间变化的磁场梯度，实现硅中电子自旋量子比特的快速电控。
• 通过门定义的量子点实现可调的两量子比特耦合，以动态调节相互作用强度。
• 使用优化的电脉冲执行高保真度的单量子比特与两量子比特门，最大限度减少退相干与控制误差。
• 校准门参数以平衡量子比特旋转速度与耦合强度，确保对控制缺陷的鲁棒性。
• 通过随机基准测试验证门保真度，并实现基准量子算法（德意志-乔萨与Grover搜索）进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过快速电控与可调耦合，将硅自旋量子比特中的两量子比特门保真度提升至99%以上？
• RQ2 实现高保真度通用量子门的最优工作条件（包括量子比特旋转速度与耦合强度）是什么？
• RQ3 能否在基于硅的自旋量子比特平台上实现保真度超过容错阈值的通用门集？
• RQ4 能否在硅平台上成功执行高保真度的量子算法？

主要发现

• 实验测得两量子比特门保真度达到99.5%，超过表面码纠错所需的99%阈值。
• 单量子比特门保真度达到99.8%，表明实现了高保真度单量子比特操作，这对通用量子计算至关重要。
• 德意志-乔萨与Grover搜索算法的实现均以高保真度成功完成，证实了该门集的通用性与可靠性。
• 本研究识别出一个鲁棒的操作区域，在该区域内通过平衡量子比特旋转速度与耦合强度，可维持高保真度门操作。