[论文解读] Two-qubit logic between distant spins in silicon

Jurgen Dijkema, Xiao Xue+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

该论文展示了利用超导谐振器在非直接交换耦合的条件下，通过虚拟光子在反常色散 regime 中介导，实现了相距 250 nm 的两个硅电子自旋量子比特之间的相干两量子比特 iSWAP 操作。实验实现了可调控的反相振荡与十纳秒量级的纠缠门，为实现具有长程连通性的可扩展片上量子网络铺平了道路。

ABSTRACT

Direct interactions between quantum particles naturally fall off with distance. For future-proof qubit architectures, however, it is important to avail of interaction mechanisms on different length scales. In this work, we utilize a superconducting resonator to facilitate a coherent interaction between two semiconductor spin qubits 250 $μ$m apart. This separation is several orders of magnitude larger than for the commonly employed direct interaction mechanisms in this platform. We operate the system in a regime where the resonator mediates a spin-spin coupling through virtual photons. We report anti-phase oscillations of the populations of the two spins with controllable frequency. The observations are consistent with iSWAP oscillations and ten nanosecond entangling operations. These results hold promise for scalable networks of spin qubit modules on a chip.

研究动机与目标

• 实现超越直接交换相互作用限制的硅自旋量子比特之间的长程两量子比特纠缠。
• 在反常色散 regime 中，利用超导谐振器作为中介，实现相距 250 nm 的相干自旋-自旋耦合。
• 在纳秒量级操作时间内，实现高保真度的两量子比特量子门（iSWAP 和 √iSWAP）。
• 验证基于谐振器介导自旋相互作用的模块化、片上量子架构的可行性。

提出的方法

• 利用超导 NbTiN 片上谐振器，介导硅量子点中两个远距离单电子自旋量子比特之间的相干自旋-自旋耦合。
• 在反常色散 regime 中运行，其中量子比特频率与谐振器频率失谐，以抑制光子泄漏并实现相干虚拟光子交换。
• 采用微波探测和反常色散读出技术，监测单个量子比特状态，并调节至翻转模工作点以实现最佳相干性。
• 通过时域控制诱导两个自旋之间的 iSWAP 振荡，其频率由自旋-腔体失谐和量子比特频率差异调控。
• 使用包含实验测得参数的完整主方程模型，模拟并拟合观测到的交换振荡，包括弛豫、退相干和自旋-光子耦合。
• 通过量子过程层析技术估算保真度，将理想 iSWAP 和 √iSWAP 门与模拟动力学进行比较。

Figure 1: Dot-resonator-dot device. a. False-colored optical image of the device that is used in this work, showing the resonator, ground planes and the gate fan-out of the double quantum dots (DQDs). The microwave (MW) in/out ports are used to probe the transmission through the resonator, and the D

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用超导谐振器作为中介，在 250 nm 距离上实现硅中两个远距离自旋量子比特的相干纠缠？
• RQ2 在反常色散 regime 中，谐振器介导的两量子比特门可实现的保真度和操作时间是多少？
• RQ3 iSWAP 振荡频率如何依赖于自旋-腔体失谐、自旋-光子耦合强度和自旋频率失谐？
• RQ4 实验中与理想行为的偏差（如频率漂移或磁场梯度不确定性）在多大程度上影响门性能？

主要发现

• 实验展示了两个自旋量子比特布居数的可控频率反相振荡，与 iSWAP 动力学一致。
• 实现了 82.5% 保真度的 √iSWAP 门，iSWAP 门保真度达到 70.3%，表明实现了高保真度的两量子比特操作。
• iSWAP 门的操作时间约为 10 纳秒，支持快速纠缠操作，适用于可扩展量子计算。
• 测得的自旋-自旋耦合强度最高达 21.2 MHz，自旋-光子耦合强度最高达 29.7 MHz，表明存在强谐振器介导的相互作用。
• 当考虑实验测得的参数（包括量子比特弛豫和退相干时间）时，观测到的振荡频率与理论模拟结果一致。
• 保真度估计基于包含弛豫、退相干和单量子比特相位演化在内的完整模型模拟，验证了门协议的鲁棒性。

Figure 2: Rabi oscillations for qubit 1 ( a ) and qubit 2 ( b ), driven in the flopping-mode regime. The measured transmission through the resonator as a function of applied MW burst time, resonant with qubit 1 and qubit 2 respectively, is shown by the data points. The solid lines represent fits to