論文の概要: Grover's algorithm in a four-qubit silicon processor above the fault-tolerant threshold

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.08741v1
• Date: Fri, 12 Apr 2024 18:05:34 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-04-16 19:02:07.896219
• Title: Grover's algorithm in a four-qubit silicon processor above the fault-tolerant threshold
• Title（参考訳）: フォールトトレラントしきい値を超える4量子半導体プロセッサにおけるGroverのアルゴリズム
• Authors: Ian Thorvaldson, Dean Poulos, Christian M. Moehle, Saiful H. Misha, Hermann Edlbauer, Jonathan Reiner, Helen Geng, Benoit Voisin, Michael T. Jones, Matthew B. Donnelly, Luis F. Pena, Charles D. Hill, Casey R. Myers, Joris G. Keizer, Yousun Chung, Samuel K. Gorman, Ludwik Kranz, Michelle Y. Simmons,
• Abstract要約: 我々は、半導体スピン量子ビットで報告されている最も高い96.2%の忠実度を持つ3量子ビットグリーンバーガー・ホーネ・ザイリンガー状態(GHZ)を作成する。 ハイパーファイン相互作用によって提供される核スピンのすべての接続は、効率的なマルチキュービット演算を可能にする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Spin qubits in silicon are strong contenders for realizing a practical quantum computer. This technology has made remarkable progress with the demonstration of single and two-qubit gates above the fault-tolerant threshold and entanglement of up to three qubits. However, maintaining high fidelity operations while executing multi-qubit algorithms has remained elusive, only being achieved for two spin qubits to date due to the small qubit size, which makes it difficult to control qubits without creating crosstalk errors. Here, we use a four-qubit silicon processor with every operation above the fault tolerant limit and demonstrate Grover's algorithm with a ~95% probability of finding the marked state, one of the most successful implementations to date. Our four-qubit processor is made of three phosphorus atoms and one electron spin precision-patterned into 1.5 nm${}^2$ isotopically pure silicon. The strong resulting confinement potential, without additional confinement gates that can increase cross-talk, leverages the benefits of having both electron and phosphorus nuclear spins. Significantly, the all-to-all connectivity of the nuclear spins provided by the hyperfine interaction not only allows for efficient multi-qubit operations, but also provides individual qubit addressability. Together with the long coherence times of the nuclear and electron spins, this results in all four single qubit fidelities above 99.9% and controlled-Z gates between all pairs of nuclear spins above 99% fidelity. The high control fidelities, combined with >99% fidelity readout of all nuclear spins, allows for the creation of a three-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state with 96.2% fidelity, the highest reported for semiconductor spin qubits so far. Such nuclear spin registers can be coupled via electron exchange, establishing a path for larger scale fault-tolerant quantum processors.
• Abstract（参考訳）: シリコン中のスピン量子ビットは、実用的な量子コンピュータを実現するための強力な競争相手である。 この技術は、耐故障しきい値を超える単一および2量子ゲートのデモンストレーションと最大3量子ビットの絡み合いにより、顕著な進歩を遂げた。 しかし、マルチキュービットアルゴリズムの実行中に高い忠実度操作を維持することは、従来の2つのスピンキュービットでしか実現されていないため、クロストークエラーを発生させることなく、キュービットを制御するのが困難である。 ここでは、フォールトトレラント限界を超える全ての演算を持つ4量子半導体プロセッサを使用し、Groverのアルゴリズムを、現在最も成功した実装の一つであるマーク状態を見つける確率が95%以上で実証する。 我々の4量子ビットプロセッサは3つのリン原子と1つの電子スピン精度で1.5nm${}^2$等方性純シリコンにパターン化されている。 強い結果として生じる閉じ込めポテンシャルは、クロストークを増大させる余分な閉じ込めゲートなしで、電子スピンとリン核スピンの両方を持つことの利点を利用する。 重要なことは、超微細な相互作用によって提供される核スピンの完全な接続は、効率的なマルチキュービット演算を可能にするだけでなく、個々のキュービットアドレス可能性も提供することである。 核スピンと電子スピンの長いコヒーレンス時間とともに、99.9%以上の4つの単一量子ビットフィリティと99%以上の全ての核スピン間の制御Zゲートが生じる。 高い制御率と、全核スピンの99%のフィデリティの読み出しが組み合わさって、3量子ビットのグリーンバーガー・ホルン・ザイリンガー状態(GHZ)を96.2%のフィデリティで作成することができる。 このような核スピンレジスタは電子交換によって結合することができ、大規模なフォールトトレラント量子プロセッサの経路を確立することができる。

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