[论文解读] Repetitive single electron spin readout in silicon

Jun Yoneda, Kenta Takeda+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 21被引用 8

一句话总结

该论文展示了一种利用邻近的伊辛耦合量子点自旋作为测量计，对硅中单个电子自旋实现量子非破坏性（QND）读出。在平均每次测量保真度达99%的情况下，该协议可在1.2毫秒内对同一自旋态实现超过20次重复读出，整体测量保真度最高达95%，并实现了保真度超过99.6%的隐性基态制备。

ABSTRACT

Single electron spins confined in silicon quantum dots hold great promise as a quantum computing architecture with demonstrations of long coherence times, high-fidelity quantum logic gates, basic quantum algorithms and device scalability. While single-shot spin detection is now a laboratory routine, the need for quantum error correction in a large-scale quantum computing device demands a quantum non-demolition (QND) implementation. Unlike conventional counterparts, the QND spin readout imposes minimal disturbance to the probed spin polarization and can therefore be repeated to extinguish measurement errors. However, it has remained elusive for an electron spin in silicon as it involves exquisite exposure of the system to the external circuitry for readout while maintaining the coherence and integrity of the qubit. Here we show that an electron spin qubit in silicon can be measured in a highly non-demolition manner by probing another electron spin in a neighboring dot Ising-coupled to the qubit spin. The high non-demolition fidelity (99% on average) enables over 20 readout repetitions of a single spin state, yielding an overall average measurement fidelity of up to 95% within 1.2 ms. We further demonstrate that our repetitive QND readout protocol can realize heralded high-fidelity (> 99.6%) ground-state preparation. Our QND-based measurement and preparation, mediated by a second qubit of the same kind, will allow for a new class of quantum information protocols with electron spins in silicon without compromising the architectural homogeneity.

研究动机与目标

• 开发一种用于硅量子点中单电子自旋的量子非破坏性（QND）测量协议，以实现在不扰动量子比特态的情况下重复读出。
• 克服在可扩展硅基量子计算架构中实现高保真度、重复读出的同时保持自旋相干性的挑战。
• 证明邻近量子点中的第二个辅助电子自旋可作为中介，实现对目标量子比特自旋的高保真度、非破坏性测量。
• 利用QND读出协议实现保真度超过99.6%的隐性基态制备。
• 通过使用相同电子自旋同时作为量子比特和读出辅助，保持架构同质性，支持在硅量子处理器中实现可扩展集成。

提出的方法

• 在硅中采用双量子点系统，包含两个电子自旋：一个作为量子比特，另一个作为读出辅助。
• 通过交换相互作用实现量子比特与辅助自旋之间的伊辛型自旋-自旋耦合，从而实现条件动力学。
• 通过单次测量对辅助自旋的电荷态进行读出，以推断量子比特自旋态，而不会使其坍缩，从而实现非破坏性测量。
• 多次重复QND读出协议，通过统计平均降低测量误差。
• 将重复读出应用于隐性制备量子比特处于基态，实现高保真度。
• 通过最小化与外部电路的相互作用并精确调节门电压，保持高自旋相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以对硅量子点中的单个电子自旋实现多次重复测量，且对自旋态的扰动极小？
• RQ2 在硅基系统中，保持高保真度的前提下，可实现的最大非破坏性读出重复次数是多少？
• RQ3 QND读出协议是否可用于隐性制备高保真度的量子比特自旋基态？
• RQ4 使用邻近量子点中的第二个相同电子自旋作为测量辅助，对整体测量保真度有何影响？
• RQ5 该QND协议在可扩展量子计算架构中，能够在实现重复测量的同时在多大程度上维持自旋相干性？

主要发现

• QND读出实现了每次测量平均99%的保真度，支持对同一自旋态进行超过20次重复读出。
• 在1.2毫秒的重复读出后，整体测量保真度最高可达95%，显著降低了测量误差。
• 利用QND协议实现了保真度超过99.6%的隐性基态制备。
• 该协议通过最小化与外部电路的相互作用，在实现高保真度读出的同时保持了高自旋相干性。
• 在邻近量子点中使用相同的辅助自旋，保持了架构同质性，支持可扩展性。
• 伊辛耦合的辅助自旋实现了条件读出，不会导致量子比特态坍缩，满足非破坏性测量的要求。