論文の概要: Beating the thermal limit of qubit initialization with a Bayesian Maxwell's demon

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2110.02046v3
• Date: Tue, 1 Nov 2022 15:46:34 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-12 12:09:39.644612
• Title: Beating the thermal limit of qubit initialization with a Bayesian Maxwell's demon
• Title（参考訳）: ベイジアン・マクスウェルのデーモンで qubit初期化の熱限界を打ち破る
• Authors: Mark A. I. Johnson, Mateusz T. M\k{a}dzik, Fay E. Hudson, Kohei M. Itoh, Alexander M. Jakob, David N. Jamieson, Andrew Dzurak, and Andrea Morello
• Abstract要約: フォールトトレラント量子コンピューティングは、明確に定義された有限状態の量子レジスタを初期化する必要がある。 固体系では、これは典型的には冷たい貯水池への熱化によって達成される。 本稿では, 熱限界を超える信頼度を持つフィデューシャル量子状態を作成する方法を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 48.7576911714538
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fault-tolerant quantum computing requires initializing the quantum register in a well-defined fiducial state. In solid-state systems, this is typically achieved through thermalization to a cold reservoir, such that the initialization fidelity is fundamentally limited by temperature. Here, we present a method of preparing a fiducial quantum state with a confidence beyond the thermal limit. It is based on real time monitoring of the qubit through a negative-result measurement -- the equivalent of a `Maxwell's demon' that triggers the experiment only upon the appearance of a qubit in the lowest-energy state. We experimentally apply it to initialize an electron spin qubit in silicon, achieving a ground-state initialization fidelity of 98.9(4)%, corresponding to a 20$\times$ reduction in initialization error compared to the unmonitored system. A fidelity approaching 99.9% could be achieved with realistic improvements in the bandwidth of the amplifier chain or by slowing down the rate of electron tunneling from the reservoir. We use a nuclear spin ancilla, measured in quantum nondemolition mode, to prove the value of the electron initialization fidelity far beyond the intrinsic fidelity of the electron readout. However, the method itself does not require an ancilla for its execution, saving the need for additional resources. The quantitative analysis of the initialization fidelity reveals that a simple picture of spin-dependent electron tunneling does not correctly describe the data. Our digital `Maxwell's demon' can be applied to a wide range of quantum systems, with minimal demands on control and detection hardware.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレラント量子コンピューティングは、明確に定義された有限状態の量子レジスタを初期化する必要がある。 固体系では、これは典型的には低温貯水池への熱化によって達成され、初期化の忠実度は基本的に温度によって制限される。 ここでは、熱限界を超える信頼度を持つ有限量子状態を作成する方法を提案する。 これは、低エネルギー状態の量子ビットの出現によってのみ実験をトリガーする'Maxwell's demon'と同等の、負の反発測定による量子ビットのリアルタイムモニタリングに基づいている。 シリコン中の電子スピン量子ビットの初期化に実験的に適用し、非監視系と比較して20$\times$初期化誤差の低減に対応する、基底状態初期化忠実度98.9(4)%を達成する。 99.9%に近づく忠実度は、アンプチェーンの帯域幅を現実的に改善したり、貯水池からの電子トンネルの速度を遅くすることで達成できる。 量子非退化モードで測定された核スピンアンシラを用いて電子初期化の忠実性が電子読み出しの固有忠実性よりもはるかに大きいことを証明した。 しかし、メソッド自体の実行にはアンシラを必要とせず、追加のリソースを必要としない。 初期化の忠実度を定量的に分析すると、スピン依存電子トンネルの単純な図はデータを正しく記述していないことが分かる。 私たちのデジタル 'Maxwell's demon' は、制御と検出ハードウェアに対する最小限の要求で、幅広い量子システムに適用できます。

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