[论文解读] Universal control of a six-qubit quantum processor in silicon

Stephan G. J. Philips, Mateusz Mądzik+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 16

一句话总结

该论文通过量子点中电子自旋的哈密顿量工程、实时反馈和高效校准，实现了对六量子比特硅量子处理器的通用控制，成功实现了高保真度的单量子比特和双量子比特门操作、初始化与测量。该系统实现了超过99.97%的单次测量读出保真度，并在阵列中制备出最大纠缠态，标志着在硅基平台上实现可扩展、高保真度量子计算迈出了重要一步。

ABSTRACT

Future quantum computers capable of solving relevant problems will require a large number of qubits that can be operated reliably. However, the requirements of having a large qubit count and operating with high-fidelity are typically conflicting. Spins in semiconductor quantum dots show long-term promise but demonstrations so far use between one and four qubits and typically optimize the fidelity of either single- or two-qubit operations, or initialization and readout. Here we increase the number of qubits and simultaneously achieve respectable fidelities for universal operation, state preparation and measurement. We design, fabricate and operate a six-qubit processor with a focus on careful Hamiltonian engineering, on a high level of abstraction to program the quantum circuits and on efficient background calibration, all of which are essential to achieve high fidelities on this extended system. State preparation combines initialization by measurement and real-time feedback with quantum-non-demolition measurements. These advances will allow for testing of increasingly meaningful quantum protocols and constitute a major stepping stone towards large-scale quantum computers.

研究动机与目标

• 在保持所有操作高保真度控制的前提下，将自旋量子比特系统扩展至四量子比特以上。
• 解决半导体量子点系统中量子比特数量与控制保真度之间的权衡问题。
• 在六量子比特阵列上实现通用量子操作——状态制备、单量子比特和双量子比特门以及测量。
• 开发可扩展的校准与反馈协议，为大规模量子处理器提供支持。
• 在无需访问库存系统的情况下验证高保真度初始化与测量，从而实现稳健的量子线路执行。

提出的方法

• 利用硅量子点中具有多层栅极结构的六个电子自旋量子比特线性阵列，实现对交换相互作用的独立控制。
• 采用微磁铁梯度实现电偶极自旋共振并实现对特定量子比特的选择性操控。
• 通过具有660 ns延迟的FPGA控制实现实时反馈，根据测量结果条件性地应用量子门。
• 结合量子非破坏性（QND）测量与条件旋转，通过测量实现初始化。
• 使用配备六个独立数控振荡器（NCOs）的任意波形发生器（AWGs），以跟踪量子比特相位演化并确保微波脉冲期间的相位相干性。
• 通过门电压脉冲与射频脉冲结合实现读出，信号在与AWG同步的数字化仪中进行积分与阈值判定。

实验结果

研究问题

• RQ1 六量子比特硅量子处理器能否在所有操作中实现高保真度的通用控制——包括单量子比特门、双量子比特门、初始化与测量？
• RQ2 如何在多量子比特自旋系统中高效实现实时反馈，以纠正测量结果并提高状态制备保真度？
• RQ3 在使用QND测量与反馈的情况下，硅量子点中电子自旋的单次测量读出保真度能达到何种水平？
• RQ4 哈密顿量工程与校准流程在更大规模量子比特系统中，能在多大程度上维持高保真度操作？
• RQ5 是否可以在不依赖访问库存系统的情况下实现初始化与测量，从而实现可扩展且稳健的操作？

主要发现

• 该六量子比特处理器在两个量子比特对（1-2 和 5-6）上均实现了超过99.97%的单次自旋读出保真度，其测量结果表现为平行与反平行自旋态的清晰分离直方图。
• 具有660 ns延迟的实时反馈实现了基于测量结果的条件性量子门操作，最大限度减少了空闲时间并保持了量子比特相干性。
• 成功在两个和三个量子比特上制备了最大纠缠的贝尔态与格林伯格-霍恩-蔡林格（GHZ）态，证明了通用门控制能力。
• 通过测量实现的高保真度初始化结合实时反馈，避免了对库存系统的依赖，实现了稳健的状态制备。
• 高效的背景校准与哈密顿量工程使单量子比特和双量子比特门、初始化与读出在全部六个量子比特阵列上实现了同步高保真度操作。
• AWG中使用六个独立NCOs实现了所有量子比特的相位相干微波控制，为更大规模电路提供了可扩展解决方案。