[论文解读] Two-qubit silicon quantum processor with operation fidelity exceeding 99%

A. R. Mills, C. R. Guinn+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 23

一句话总结

该论文展示了一款两量子比特硅自旋量子处理器，其单量子比特门保真度超过99%，两量子比特受控相位（CZ）门保真度达99.81%，该成果通过使用同位素富集的28Si量子点和钴微磁体实现自旋共振而达成。通过量子门集层析与随机化基准测试验证的高保真度态制备、测量及门操作，证明了硅自旋量子比特在容错量子计算中的可行性。

ABSTRACT

Silicon spin qubits satisfy the necessary criteria for quantum information processing. However, a demonstration of high fidelity state preparation and readout combined with high fidelity single- and two-qubit gates, all of which must be present for quantum error correction, has been lacking. We use a two qubit Si/SiGe quantum processor to demonstrate state preparation and readout with fidelity over 97%, combined with both single- and two-qubit control fidelities exceeding 99%. The operation of the quantum processor is quantitatively characterized using gate set tomography and randomized benchmarking. Our results highlight the potential of silicon spin qubits to become a dominant technology in the development of intermediate-scale quantum processors.

研究动机与目标

• 在基于硅的自旋量子比特平台上实现高保真度的单量子比特与两量子比特量子操作。
• 解决硅量子点中长期存在的高态制备与测量（SPAM）误差问题，该问题此前限制了性能表现。
• 证明硅自旋量子比特可实现与超导量子比特及离子阱量子比特相当的门保真度。
• 通过门集层析与随机化基准测试等严格表征技术，验证完整量子处理器的性能。
• 建立一条利用与硅微电子工艺兼容技术实现可扩展容错中等规模量子处理器的可行路径。

提出的方法

• 采用六量子比特线性排列的硅/硅锗（Si/SiGe）量子点结构，使用同位素富集的28Si以延长电子自旋相干时间。
• 利用钴微磁体产生局域磁场梯度，实现电偶极自旋共振（EDSR）以完成单量子比特操作。
• 通过（1,1）电荷态下的库仑阻塞隧穿实现自旋到电荷的转换，用于态初始化与读出。
• 对单量子比特门（I、Xπ/2、Yπ/2）执行门集层析（GST），以量化门保真度与SPAM误差。
• 采用两量子比特交错随机化基准测试（RB）测量CZ门保真度，并在Clifford序列中交错插入CNOT门以合成CNOT门保真度。
• 通过调节门电压（VB2）控制交换相互作用，并调整相位补偿（Zϕ）以实现高保真度C-Phase门。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅自旋量子比特能否在保持高单量子比特门与SPAM保真度的同时，实现超过99%的两量子比特门保真度？
• RQ2 SPAM误差在多大程度上限制了硅量子点处理器的性能？是否可将其降低至3%以下？
• RQ3 在门保真度与操作速度方面，硅自旋量子比特与超导量子比特及离子阱量子比特相比表现如何？
• RQ4 门集层析与随机化基准测试是否能有效用于表征与验证两量子比特硅量子处理器？
• RQ5 在当前的制造与控制技术条件下，是否可行实现基于硅自旋量子比特的容错量子计算？

主要发现

• 两量子比特受控相位（CZ）门的保真度达到99.81 ± 0.17%，超过99.8%，创下硅自旋量子比特的新基准。
• 通过门集层析测得单量子比特门保真度超过99.9%，Q1与Q2的T2*与T2退相干时间分别为1.7 μs与2.3 μs。
• 态制备与测量（SPAM）保真度极低，初始化保真度分别为99.4%与97.5%，测量保真度分别为98.1%与99.8%。
• 通过交错随机化基准测试，合成的CNOT门保真度达到98.62 ± 0.16%，证实了高保真度两量子比特操作。
• 整体操作保真度（含SPAM）超过容错量子误差纠正所需的阈值，SPAM误差低于3%。
• 结果表明，硅自旋量子比特可实现与超导量子比特相当的门保真度，且操作速度优于离子阱量子比特，为构建可扩展量子处理器提供了切实可行的路径。