[论文解读] Feedback-tuned noise-resilient gates for encoded spin qubits

Pascal Cerfontaine, Tim Botzem+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 31被引用 6

一句话总结

本文提出了一种反馈调优控制协议 GAMBIT，用于在 GaAs 双量子点中编码的两电子自旋量子比特实现高保真度的单量子比特门。通过使用层析反馈迭代校正脉冲误差，作者实现了 98.5% 的门保真度和 0.4% 的泄漏率，表明该系统对 III-V 半导体中的电荷噪声和核自旋涨落具有鲁棒性。

ABSTRACT

Two level quantum mechanical systems like spin 1/2 particles lend themselves as a natural qubit implementation. However, encoding a single qubit in several spins reduces the resources necessary for qubit control and can protect from decoherence channels. While several varieties of such encoded spin qubits have been implemented, accurate control remains challenging, and leakage out of the subspace of valid qubit states is a potential issue. Here, we realize high-fidelity single qubit operations for a qubit encoded in two electron spins in GaAs quantum dots by iterative tuning of the all-electrical control pulses. Using randomized benchmarking, we find an average gate fidelity of $\mathcal{F} = (98.5 \pm 0.1)\,\%$ and determine the leakage rate between the computational subspace and other states to $\mathcal{L} = (0.4\pm0.1)\,\%$. These results also demonstrate that high fidelity gates can be realized even in the presence of nuclear spins as in III-V semiconductors.

研究动机与目标

• 在由于非线性和噪声导致传统控制方法面临挑战的 GaAs 双量子点中编码的两电子自旋量子比特中，实现高保真度的单量子比特操作。
• 解决由于脉冲整形不完美、非线性转移函数和所有电控自旋量子比特对噪声敏感性带来的系统性误差。
• 证明即使在 III-V 半导体中存在主要挑战的核自旋涨落情况下，仍可实现高保真度门操作。
• 开发并实现一种基于层析信息迭代调优门脉冲的反馈控制回路（GAMBIT），以实现超越标准随机基准测试的收敛性能。
• 量化并最小化计算子空间（s_z = 0）向非计算三重态的泄漏，这是编码量子比特稳定性的一个关键指标。

提出的方法

• 作者使用基带控制脉冲通过静电偏置 ε 调控交换相互作用 J(ε)，在 (1,1) 电荷构型下实现所有电控的单量子比特操作。
• 采用数值模型 J(ε) = J₀ exp(ε/ε₀) 模拟交换耦合对偏置的非线性依赖关系，以指导脉冲设计。
• GAMBIT 反馈回路利用层析测量的误差校验信息，迭代调优控制脉冲，以最小化与理想目标态的偏差。
• 反馈回路使用平均读出电压估计态概率，通过混合态和三重态的参考电压校准误差信号。
• 采用随机基准测试（RB）测量门保真度和泄漏率，重点表征计算子空间向 T₊ 和 T₋ 态的子空间泄漏。
• 通过任意波形发生器和示波器配合偏置注入器实现该协议，以最小化脉冲失真；态制备和测量通过绝热电荷-自旋映射完成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在非线性和噪声的情况下，是否可以通过全电控在 GaAs 量子点中编码的两电子自旋量子比特实现高保真度单量子比特门？
• RQ2 核自旋涨落和电荷噪声在多大程度上限制了基于 GaAs 的自旋量子比特的门保真度？这些限制能否通过最优门设计缓解？
• RQ3 基于层析误差信号的反馈控制回路（GAMBIT）是否能在收敛性和保真度提升方面优于基于标准随机基准测试的反馈？
• RQ4 从计算子空间（s_z = 0）向其他三重态的泄漏率实际是多少？其对门性能有何影响？
• RQ5 在该系统中，观测到的保真度更多受电荷噪声还是核自旋涨落限制？门设计中的噪声抵消作用是什么？

主要发现

• 作者通过随机基准测试实现了 98.5% ± 0.1% 的平均门保真度，展示了在固态自旋量子比特中实现高精度控制的能力。
• 从计算子空间（s_z = 0）向其他态的泄漏率测量为 0.4% ± 0.1%，表明子空间保护能力很强。
• 电荷噪声被确定为保真度下降的主要原因，而核自旋涨落在优化门脉冲的噪声抵消作用下影响出人意料地微弱。
• GAMBIT 反馈回路通过利用层析信息成功收敛至高保真度脉冲，在参数空间和收敛速度方面优于标准 RB 基反馈。
• 即使在核自旋涨落存在的情况下，系统仍保持高保真度，表明 III-V 半导体能够支持高保真度的编码量子比特。
• 测量得到的保真度和泄漏值对 SPAM 错误具有鲁棒性，这通过基准测试序列中渐近单重态概率为 0.36 得到验证，与泄漏作为衰减主要成因一致。