論文の概要: Exchange-Only Silicon Based Spin Qubits: Charge Noise, PINN Optimised Pulse Sequences,and Gate-Level Fidelity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.03056v1
• Date: Mon, 04 May 2026 18:20:13 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-06 19:35:43.596951
• Title: Exchange-Only Silicon Based Spin Qubits: Charge Noise, PINN Optimised Pulse Sequences,and Gate-Level Fidelity
• Title（参考訳）: 交換専用シリコンスピンビット:電荷ノイズ、PINN最適化パルスシーケンス、ゲートレベル忠実度
• Authors: Rajdeep Rameshchandra Dwivedi, Amitoj Singh Miglani, Vishvendra Singh Poonia,
• Abstract要約: シリコン中の交換専用(EO)スピン量子ビットは、一対のハイゼンベルク交換相互作用を通じて全電気的量子ビット制御を実現する。 その主な脆弱性は電荷ノイズであり、これは交換結合に乗法的に結合し、ゲートの忠実度を低下させる。 我々は、ゲートごとのパルス最適化のための2段階物理情報ニューラルネットワーク(PINN)フレームワークを提案する。
• 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: Exchange-only (EO) spin qubits in silicon realise all-electrical qubit control through pairwise Heisenberg exchange interactions, making them attractive for scalable quantum computation. Their principal vulnerability is charge noise, which couples multiplicatively to the exchange coupling and degrades gate fidelity. We present a \emph{two-stage} Physics-Informed Neural Network (PINN) framework for per-gate pulse optimisation. In \textbf{Stage~I} (iterations~1--100) the PINN maximises the noise-averaged gate fidelity toward a threshold of $\Fth=0.99$; the pulse duration is held fixed at its nominal hardware value. Once the threshold is crossed, \textbf{Stage~II} (iterations~101--250) progressively compresses the total pulse time while maintaining $F\geq\Fth$ via continuous fine-tuning of the pulse-shape parameters. The cost function is a Monte-Carlo ensemble mean-squared error (MSE) averaged over $N_{\rm real}=2000$ quasi-static Gaussian noise realisations drawn fresh at every iteration. We benchmark the framework on the single-qubit gate set $\{X,Y,Z,H\}$ and the two-qubit set $\{X,Y,Z,H,\mathrm{CX}\}$ at noise levels $\sigmaJ/J\in\{1\%,5\%,10\%\}$. All single-qubit gates cross $\Fth$ within the first 100 iterations across all noise levels; Stage~II then reduces pulse durations by 20--40\% from their nominal values. The two-qubit gates follow the same two-phase behaviour, with the CX gate compressing from its nominal \SI{31}{\nano\second} to $\approx\SI{22}{\nano\second}$ at 1\% noise.
• Abstract（参考訳）: シリコン中の交換専用(EO)スピン量子ビットは、一対のハイゼンベルク交換相互作用を通じて全電気量子ビット制御を実現するため、スケーラブルな量子計算には魅力的である。 その主な脆弱性は電荷ノイズであり、これは交換結合に乗法的に結合し、ゲートの忠実度を低下させる。 ゲートごとのパルス最適化のための物理インフォームドニューラルネットワーク(PINN)フレームワークを提案する。 PINNは、textbf{Stage~I} (iterations~1--100) において、ノイズ平均ゲートの忠実度を$\Fth=0.99$の閾値まで最大化する。 しきい値が通過すると、\textbf{Stage~II} (イテレーション~101--250) はパルス形状パラメータの連続的な微調整により、F\geq\Fth$を維持しながらパルス総時間を徐々に圧縮する。 コスト関数はモンテカルロ・アンサンブル平均二乗誤差(MSE)で、平均で$N_{\rm real}=2000$準静電ガウス雑音が各イテレーションで新たに描画される。 単一キュービットゲートセット $\{X,Y,Z,H\}$ と 2 キュービットセット $\{X,Y,Z,H,\mathrm{CX}\}$ をノイズレベル $\sigmaJ/J\in\{1\%,5\%,10\%\}$ でベンチマークする。 すべての単一キュービットゲートは、すべてのノイズレベルを横断する最初の100イテレーションで$\Fth$を越え、ステージ~IIはその名目値からパルス持続時間を20-40-%削減する。 2ビットゲートは同じ2相挙動を辿り、CXゲートは名目上の \SI{31}{\nano\second} から $\approx\SI{22}{\nano\second} に 1 % の雑音で圧縮される。

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