[论文解读] Precision tomography of a three-qubit electron-nuclear quantum processor in silicon

Mateusz Mądzik, Serwan Asaad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 64被引用 9

一句话总结

该论文通过离子注入的³¹P核在基于硅的三量子比特电子-核量子处理器中实现了高保真度的通用量子逻辑操作。通过利用共享电子自旋实现几何相位控制的 controlled-Z 门，作者实现了 99.21(14)% 的两量子比特门保真度，并制备了保真度为 92.5(1.0)% 的三量子比特 Greenberger-Horne-Zeilinger 状态，确立了硅中的核自旋作为容错量子计算的可扩展平台。

ABSTRACT

Nuclear spins were among the first physical platforms to be considered for quantum information processing, because of their exceptional quantum coherence and atomic-scale footprint. However, their full potential for quantum computing has not yet been realized, due to the lack of methods to link nuclear qubits within a scalable device combined with multi-qubit operations with sufficient fidelity to sustain fault-tolerant quantum computation. Here we demonstrate universal quantum logic operations using a pair of ion-implanted 31P nuclei in a silicon nanoelectronic device. A nuclear two-qubit controlled-Z gate is obtained by imparting a geometric phase to a shared electron spin, and used to prepare entangled Bell states with fidelities up to 94.2(2.7)%. The quantum operations are precisely characterised using gate set tomography (GST), yielding one-qubit gate fidelities up to 99.93(3)%, two-qubit gate fidelity of 99.21(14)% and two-qubit preparation/measurement fidelities of 98.95(4)%. These three metrics indicate that nuclear spins in silicon are approaching the performance demanded in fault-tolerant quantum processors. We then demonstrate entanglement between the two nuclei and the shared electron by producing a Greenberger-Horne-Zeilinger three-qubit state with 92.5(1.0)% fidelity. Since electron spin qubits in semiconductors can be further coupled to other electrons or physically shuttled across different locations, these results establish a viable route for scalable quantum information processing using nuclear spins.

研究动机与目标

• 在基于硅的可扩展量子处理器中，利用核自旋作为量子比特，实现高保真度、通用的量子逻辑操作。
• 克服在可扩展器件架构中实现核量子比特之间高保真度两量子比特门的挑战。
• 展示两个核自旋与共享电子自旋之间的纠缠，形成三量子比特纠缠态。
• 通过量子门集层析（GST）精确表征量子操作，以验证其在容错量子计算中的性能。

提出的方法

• 使用硅纳米电子器件中离子注入的 ³¹P 核作为量子比特，共享电子自旋作为量子总线。
• 通过共享电子自旋上的几何相位累积，利用动态交换耦合实现两量子比特受控-Z 门。
• 采用门集层析（GST）对单量子比特和两量子比特门、态制备及测量进行高精度的完整表征。
• 在两个核量子比特之间制备贝尔态，并通过态层析验证其保真度。
• 通过将两个核自旋与共享电子自旋纠缠，生成三量子比特的 Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态。
• 通过实验数据的统计分析，对门和态的保真度进行严格误差边界量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过共享电子自旋作为中介，在硅中的核自旋之间实现高保真度的两量子比特纠缠操作？
• RQ2 门集层析在多大程度上能够量化核自旋量子处理器中单量子比特和两量子比特操作的性能？
• RQ3 在基于硅的器件中，涉及两个核自旋和一个共享电子自旋的三量子比特纠缠态的保真度是多少？
• RQ4 所观测到的门和态保真度是否达到容错量子计算所需的阈值？

主要发现

• 实现了保真度为 99.21(14)% 的两量子比特受控-Z 门，证明了在核自旋量子处理器中实现高保真度两量子比特操作。
• 单量子比特门保真度最高达到 99.93(3)%，表明单量子比特控制性能优异。
• 在两个核量子比特之间制备的贝尔态保真度最高达 94.2(2.7)%，证实了高保真度纠缠态的生成。
• 通过将两个核自旋与共享电子自旋纠缠，制备了保真度为 92.5(1.0)% 的三量子比特 Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态，展示了系统中多量子比特纠缠的实现。
• 两量子比特态的制备与测量保真度达到 98.95(4)%，支持高保真度态制备与读出。
• 门集层析提供的综合高保真度指标表明，硅中的核自旋正接近容错量子计算所要求的性能阈值。