論文の概要: Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2106.03082v3
• Date: Fri, 28 Jan 2022 01:12:57 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-27 11:40:07.425664
• Title: Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon
• Title（参考訳）: シリコン中の3ビットドナー量子プロセッサの精密トモグラフィー
• Authors: Mateusz T. M\k{a}dzik, Serwan Asaad, Akram Youssry, Benjamin Joecker, Kenneth M. Rudinger, Erik Nielsen, Kevin C. Young, Timothy J. Proctor, Andrew D. Baczewski, Arne Laucht, Vivien Schmitt, Fay E. Hudson, Kohei M. Itoh, Alexander M. Jakob, Brett C. Johnson, David N. Jamieson, Andrew S. Dzurak, Christopher Ferrie, Robin Blume-Kohout and Andrea Morello
• Abstract要約: 核スピンは、量子情報処理のために考慮された最初の物理プラットフォームの一つであった。 シリコンナノエレクトロニクスデバイスにイオンを注入した31Pドナー原子核を用いた普遍量子論理演算を実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 38.42250061908039
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Nuclear spins were among the first physical platforms to be considered for quantum information processing, because of their exceptional quantum coherence and atomic-scale footprint. However, their full potential for quantum computing has not yet been realized, due to the lack of methods to link nuclear qubits within a scalable device combined with multi-qubit operations with sufficient fidelity to sustain fault-tolerant quantum computation. Here we demonstrate universal quantum logic operations using a pair of ion-implanted 31P donor nuclei in a silicon nanoelectronic device. A nuclear two-qubit controlled-Z gate is obtained by imparting a geometric phase to a shared electron spin, and used to prepare entangled Bell states with fidelities up to 94.2(2.7)%. The quantum operations are precisely characterised using gate set tomography (GST), yielding one-qubit average gate fidelities up to 99.95(2)%, two-qubit average gate fidelity of 99.37(11)% and two-qubit preparation/measurement fidelities of 98.95(4)%. These three metrics indicate that nuclear spins in silicon are approaching the performance demanded in fault-tolerant quantum processors. We then demonstrate entanglement between the two nuclei and the shared electron by producing a Greenberger-Horne-Zeilinger three-qubit state with 92.5(1.0)% fidelity. Since electron spin qubits in semiconductors can be further coupled to other electrons or physically shuttled across different locations, these results establish a viable route for scalable quantum information processing using donor nuclear and electron spins.
• Abstract（参考訳）: 核スピンは、量子コヒーレンスと原子スケールの足跡のため、量子情報処理において最初に検討された物理プラットフォームの一つであった。 しかし、スケーラブルなデバイス内の核量子ビットを、フォールトトレラントな量子計算を維持するのに十分な忠実さを持つマルチキュービット演算と組み合わせる方法が欠如しているため、量子コンピューティングの完全なポテンシャルはまだ実現されていない。 ここでは、シリコンナノエレクトロニクスデバイスにおいて、イオンを注入した31Pドナー原子核を用いた普遍量子論理演算を示す。 共有電子スピンに幾何位相を付与し、94.2(2.7)%までのフィディティを有する絡み合ったベル状態を作成するための核二量子制御zゲートを得る。 量子演算は、ゲートセットトモグラフィー(GST)を用いて正確に特徴づけられ、最大99.95(2)%、2キュービット平均ゲート忠実度99.37(11)%、2キュービット準備/測定忠実度98.95(4)%となる。 これら3つの指標は、シリコンの核スピンがフォールトトレラント量子プロセッサで要求される性能に近づいていることを示している。 次に,グリーンベルガー・ホルン・ザイリンガー三量子状態と92.5(1.0)%の忠実度を発生させることにより,2つの核と共有電子の絡み合いを示す。 半導体中の電子スピン量子ビットは、他の電子とさらに結合したり、異なる場所に物理的に伝播することができるため、これらの結果はドナー核スピンと電子スピンを用いたスケーラブルな量子情報処理に有効な経路を確立できる。

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