[论文解读] Robust quantum control for the manipulation of solid-state spins

Yifan Zhang, Hao Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 8

一句话总结

本文通过最优控制算法实现了氮空位（NV）色心中高保真度单量子比特门的鲁棒量子控制，同时抑制了失谐和拉比频率波动引起的误差。通过实验实现的鲁棒最优控制（ROC）脉冲，作者在10%失谐和拉比误差条件下实现了高达99.97%的单量子比特门保真度，同时有效抑制了动力学解耦序列中因有限脉冲宽度引起的虚假光谱峰。

ABSTRACT

Robust and high-fidelity control of electron spins in solids is the cornerstone for facilitating applications of solid-state spins in quantum information processing and quantum sensing. However, precise control of spin systems is always challenging due to the presence of a variety of noises originating from the environment and control fields. Herein, noise-resilient quantum gates, designed with robust optimal control (ROC) algorithms, are demonstrated experimentally with nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond to realize tailored robustness against detunings and Rabi errors simultaneously. In the presence of both 10% off-resonant detuning and deviation of a Rabi frequency, we achieve an average single-qubit gate fidelity of up to 99.97%. Our experiments also show that, ROCbased multipulse quantum sensing sequences can suppress spurious responses resulting from finite widths and imperfections of microwave pulses, which provides an efficient strategy for enhancing the performance of existing multipulse quantum sensing sequences.

研究动机与目标

• 开发一种硬件友好的量子控制方法，即使在环境噪声和控制场噪声存在的情况下，也能在固态自旋系统中实现高保真度操作。
• 解决传统复合脉冲的局限性，后者仅对单一类型的误差具有鲁棒性，或需要过长的脉冲长度。
• 在实验的NV色中心系统中，同时实现对失谐和拉比频率误差的鲁棒性。
• 利用基于ROC的动力学解耦序列，抑制由有限脉冲宽度和非理想性引起的多脉冲量子传感中的虚假光谱响应。

提出的方法

• 作者采用鲁棒最优控制（ROC）算法设计调制的微波脉冲，将对失谐和拉比频率误差的敏感度降至二阶以下。
• ROC脉冲设计通过优化一个包含门保真度以及演化算符对噪声参数的方向导数抑制的适应度函数来实现。
• 通过迭代优化生成脉冲序列：模拟系统演化，计算适应度，使用梯度上升法更新脉冲参数，并重复直至收敛。
• 该方法引入了失谐（$\epsilon_1$）和拉比误差（$\epsilon_2$）的噪声权重，并使用最高阶数为$m_{\text{max}}$的方向导数以增强鲁棒性。
• 通过ROC脉冲增强动力学解耦（DD）序列，以抑制由有限脉冲宽度引起的虚假光谱峰。
• 采用随机基准测试验证平均门保真度，将包含随机泡利门和克莱夫复门的序列应用于NV色中心的基态。

实验结果

研究问题

• RQ1 鲁棒最优控制（ROC）能否在固态自旋系统中同时抑制失谐和拉比频率误差，并实现高保真度门操作？
• RQ2 在联合噪声条件下，基于ROC的脉冲整形与传统方波脉冲和复合脉冲相比，在鲁棒性和保真度方面表现如何？
• RQ3 基于ROC的动力学解耦序列在多大程度上可抑制由有限微波脉冲宽度引起的虚假光谱峰？
• RQ4 在包含10%失谐和10%拉比误差的真实实验噪声条件下，应用ROC脉冲时可实现的门保真度是多少？
• RQ5 基于ROC的控制能否在现有量子硬件平台（如金刚石中的NV色心）上高效实现？

主要发现

• 在10%失谐和10%拉比频率偏差条件下，作者实现了高达99.97%的单量子比特门保真度，证明了对联合误差的高鲁棒性。
• 仿真与实验验证均表明，ROC脉冲相比传统方波脉冲具有更宽广且更平坦的鲁棒区域。
• 基于ROC的动力学解耦序列显著抑制了由有限脉冲宽度引起的虚假光谱峰，提升了量子传感的准确性。
• ROC脉冲的实验实现表现出在多种噪声实现下的稳定性能，证实了该方法的可靠性和可重复性。
• 随机基准测试确认了高平均门保真度，保真度衰减率与观测到的99.97%单门保真度一致。