[论文解读] Universal control and error correction in multi-qubit spin registers in diamond

T. H. Taminiau, Julia Cramer+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2013

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 31被引用 6

一句话总结

该论文通过氮空位（NV）中心的电子自旋作为控制和读出接口，在金刚石中实现了多量子比特核自旋寄存器的通用控制与量子纠错。通过利用动态纠错微波脉冲序列，作者在弱耦合的碳-13核自旋上实现了高保真度的单量子比特和双量子比特门，首次在固态自旋系统中实验实现了三量子比特量子纠错协议，从而将易退相干的核自旋转变为可靠的量子资源。

ABSTRACT

Quantum registers of nuclear spins coupled to electron spins of individual solid-state defects are a promising platform for quantum information processing. Pioneering experiments selected defects with favourably located nuclear spins having particularly strong hyperfine couplings. For progress towards large-scale applications, larger and deterministically available nuclear registers are highly desirable. Here we realize universal control over multi-qubit spin registers by harnessing abundant weakly coupled nuclear spins. We use the electron spin of a nitrogen-vacancy centre in diamond to selectively initialize, control and read out carbon-13 spins in the surrounding spin bath and construct high-fidelity single- and two-qubit gates. We exploit these new capabilities to implement a three-qubit quantum-error-correction protocol and demonstrate the robustness of the encoded state against applied errors. These results transform weakly coupled nuclear spins from a source of decoherence into a reliable resource, paving the way towards extended quantum networks and surface-code quantum computing based on multi-qubit nodes.

研究动机与目标

• 为克服固态自旋系统中仅能实现两量子比特通用控制的局限，实现可扩展的多量子比特寄存器控制。
• 将此前作为退相干源的弱耦合核自旋转变为可靠且相干的量子资源，用于量子信息处理。
• 利用单个固态自旋实现完整的量子纠错协议，证明对施加错误的容错能力。
• 开发一种利用电子自旋介导的门操作的控制方案，无需强超精细耦合或直接对核自旋施加驱动。

提出的方法

• 利用金刚石中氮空位（NV）中心的电子自旋作为周围核自旋的控制与读出平台。
• 采用形式为 (τ−π−2τ−π−τ)N/2 的微波脉冲序列，通过条件动力学在核自旋上实现通用单量子比特和双量子比特门。
• 通过调节脉冲间延迟 τ 以匹配每个自旋独特的超精细相互作用，选择性控制单个核自旋，实现自旋轴和旋转角度的控制。
• 通过电子自旋态制备与态转移实现核自旋初始化，随后利用 2 μs 激光脉冲对电子自旋进行再初始化，以保持核自旋极化。
• 应用动态解耦序列以保护电子相干性，并将核自旋与环境噪声解耦，延长有效相干时间。
• 采用 Ramsey 干涉测量与核自旋 echo 测量表征相干时间及光照下的退相行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无需强超精细耦合的固态系统中，能否对多个弱耦合核自旋实现通用控制？
• RQ2 仅通过电子自旋控制与微波脉冲，能否在核自旋上实现高保真度的单量子比特与双量子比特门？
• RQ3 能否在金刚石中利用单个固态自旋实验实现三量子比特量子纠错协议？
• RQ4 在重复的电子自旋初始化与读出循环中，核自旋相干性能否得以保持？
• RQ5 环境涨落与退相干在多量子比特量子寄存器性能上受到多大程度的限制？

主要发现

• 测得电子自旋相干时间 T_coh 为 2.86(4) ms，支持长时间门序列而无显著退相干。
• 核自旋 echo 相干时间 T_2 分别为 5.9(8) ms（核自旋 1）与 9(1) ms（核自旋 2），表明存在长寿命的量子相干性。
• 在激光照射下，核自旋退相时间 T_2* 分别为 51(7) μs（自旋 1）与 350(90) μs（自旋 2），均显著长于 2 μs 的电子再初始化时间。
• 在激光照射下，核自旋弛豫时间 T_1 分别为 2.5(3) ms（自旋 1）与 1.2(2) ms（自旋 2），证实控制周期中极化损失极小。
• 估计的 1.8 ms 量子纠错协议保真度为 F_est = 0.64，过程保真度 F_p,est = 0.46，与实验观测一致。
• 纠错协议中 10 个核门的平均门保真度估计为 0.94，表明门操作具有高保真度。