[论文解读] High-fidelity two-qubit gates in silicon above one Kelvin

Luca Petit, Maximilian Russ+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用 10

一句话总结

该论文在高于1 K的温度下，通过结合驱动旋转与脉冲交换相互作用的混合方法，在硅双量子点中实现了高保真度的两量子比特量子门（CROT、CPHASE 和 SWAP）。作者在噪声建模下实现了 CPHASE 和 SWAP 门的保真度超过99%，支持容错量子操作，并具备与高温下集成经典控制电子电路的潜力。

ABSTRACT

Spin qubits in quantum dots define an attractive platform for scalable quantum information because of their compatibility with semiconductor manufacturing, their long coherence times, and the ability to operate at temperatures exceeding one Kelvin. Qubit logic can be implemented by pulsing the exchange interaction or via driven rotations. Here, we show that these approaches can be combined to execute a multitude of native two-qubit gates in a single device, reducing the operation overhead to perform quantum algorithms. We demonstrate, at a temperature above one Kelvin, single-qubit rotations together with the two-qubit gates CROT, CPHASE and SWAP. Furthermore we realize adiabatic, diabatic and composite sequences to optimize the qubit control fidelity and the gate time. We find two-qubit gates that can be executed within 67 ns and by theoretically analyzing the experimental noise sources we predict fidelities exceeding 99%. This promises fault-tolerant operation using quantum hardware that can be embedded with classical electronics for quantum integrated circuits.

研究动机与目标

• 在高于1 K的温度下，展示基于硅自旋量子比特的高保真度两量子比特量子门。
• 在一个器件中集成多种本征两量子比特门（CROT、CPHASE 和 SWAP），以减少量子算法的开销。
• 通过绝热、非绝热和复合脉冲序列优化门保真度与门操作速度。
• 在存在噪声（尤其是1/f噪声）的情况下，实现超过99%的保真度，以支持容错量子计算。
• 通过在高温下结合量子比特操作与经典电子控制，支持可扩展的量子集成电路。

提出的方法

• 实验采用硅双量子点结构，通过栅极（plunger 和 barrier gates）调节偏移能（ε）和隧穿耦合（t），从而实现对交换相互作用（J）的控制。
• 单量子比特旋转通过芯片上的电子自旋共振（ESR）实现，而两量子比特门则通过脉冲交换与驱动旋转相结合的方式实现。
• 通过调制交换相互作用和塞曼分裂，所有四个共振频率下均执行受控旋转（CROT），并调整门时间以实现最优控制。
• 当交换相互作用远小于两量子比特间塞曼能差时实现CPHASE门，利用态依赖的拉比振荡。
• SWAP门通过结合绝热与非绝热脉冲的复合脉冲序列实现，总脉冲持续时间经优化以最大化保真度。
• 噪声建模将1/f噪声视为主要退相干来源，保真度在理想条件和真实噪声条件下均进行仿真，以预测性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在高于1 K的温度下，在硅自旋量子比特中实现高保真度两量子比特门？
• RQ2 能否通过混合控制方案在一个器件中实现多种本征两量子比特门（CROT、CPHASE 和 SWAP）？
• RQ3 在存在1/f噪声的条件下，绝热、非绝热和复合脉冲序列如何影响门保真度与门时间？
• RQ4 当模型中包含真实噪声源时，两量子比特门的预测保真度是多少？
• RQ5 高温运行与高保真度门控制的结合，能否实现具备片上经典控制能力的可扩展量子集成电路？

主要发现

• CROT 门实测保真度为86%，与在1/f噪声建模下预测的受噪声影响的保真度89%非常接近。
• CPHASE 门在真实噪声条件下预测保真度超过99%，门时间为67 ns。
• SWAP 门实验实现保真度超过90%，主要误差来源为校准偏差、SPAM 误差以及有限的塞曼分裂。
• 用于SWAP门和非绝热CPHASE门的复合脉冲序列预测可实现超过99%的保真度，显著降低对噪声的敏感性。
• 研究表明，两量子比特门可在67 ns内完成，支持在高于1 K的温度下实现快速量子逻辑操作。
• 理论分析证实，当考虑噪声影响时，该系统可支持容错量子计算，通过优化脉冲序列可实现高保真度门操作。