High-fidelity single- and two-qubit gates for two-electron spin qubits

Cerfontaine, Pascal; Bluhm, Jörg; DiVincenzo, David P.

doi:HT020241618

High-fidelity single- and two-qubit gates for two-electron spin qubits

Cerfontaine, Pascal^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Pascal Cerfontaine, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xiii, 166 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bluhm, Jörg (Thesis advisor)^RWTH* ; DiVincenzo, David P. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09348
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/768380/files/768380.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GaAs (frei) ; gates (frei) ; optimal control (frei) ; physics (frei) ; quantum computing (frei) ; quantum control (frei) ; quantum information (frei) ; quantum mechanics (frei) ; qubits (frei) ; semiconductors (frei) ; single-qubit gates (frei) ; solid state physics (frei) ; spin qubits (frei) ; two-qubit gates (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Logikgatter, die mit niedrigen Fehlerraten auf einzelnen und mehreren Qubits ausgeführt werden können, sind ein Grundstein für fehlertolerante Quantencomputer. In dieser Arbeit entwickeln und demonstrieren wir solche Quantengatter für halbleiterbasierte Qubits mit hinreichend geringen Fehlerraten. Konkret betrachten wir Qubits in GaAs, die den Singulett- und einen Triplettzustand von zwei Elektronenspins als Basiszustände benutzen. Sein Potenzial für optische Kopplung macht GaAs prinzipiell zu einem attraktiven Halbleiter. Allerdings erzeugen fluktuierende Kernspins hochgradig autokorreliertes Magnetfeldrauschen, welches zu deutlich kürzeren Kohärenzzeiten als bei siliziumbasierten Qubits führt, in denen kernspintragende Isotope entfernt werden können. Außerdem basieren die in früheren Experimenten verwendeten Kontrollmethoden auf unrealistischen Näherungen. Aus diesen Gründen wurden Genauigkeiten über 99 %, eine untere Grenze für die Anwendbarkeit moderner Quantenfehlerkorrekturverfahren, vor dieser Arbeit nicht erreicht. Zur Lösung dieser Herausforderungen erweitern wir zunächst den Filterfunktionsformalismus, um Quantengatter und -prozesse in Gegenwart von experimentell relevantem, nichtmarkovschem Rauschen zu beschreiben. Da dieser Formalismus alle relevanten Rauschquellen effizient berücksichtigen kann, ist er hervorragend geeignet, um mithilfe numerischer Optimierung optimale Spannungspulse zu konstruieren. Die so ermittelten Pulse ermöglichen Einqubitgatter mit einer theoretisch vorhergesagten Gattergenauigkeit von bis zu 99.9 %. Um darüber hinaus die mit diesem Qubittyp verbundenen erheblichen Kontrollprobleme zu lösen, nutzen wir experimentelles Feedback zur Kalibration der optimierten Pulse. Dazu erweitern wir unsere vorherige Gatterkalibrationsroutine GSC, um systematische Gatterfehler auf einer beliebigen Anzahl von Qubits zu entfernen. Als nächstes legen wir die für ein einzelnes Qubit optimierten Spannungspulse an unserer GaAs-Probe an und kalibrieren sie mit GSC. Mithilfe von Randomized Benchmarking bestimmen wir, dass dieser Ansatz eine durchschnittliche Genauigkeit von 99.50 ± 0.04 % und eine niedrige Leckrate von 0.13 ± 0.03 % aus dem für den Qubit genutzten Unterraum erzielt. Außerdem optimieren wir realistische Pulse für Zweiqubitgatter, indem wir aktuelle Kontrollhardware und die nicht komplett abschaltbare Coulomb- und Austauschwechselwirkung zwischen zwei benachbarten Qubits berücksichtigen. Für experimentell bestimmte Rauschspektren sagen wir so eine theoretisch erzielbare Genauigkeit von bis zu 99.9 % für GaAs und 99.99 % für Si vorher. Diese Ergebnisse zeigen, dass genaue Logikgatter auch bei Anwesenheit von Kernspins, wie in GaAs, realisiert werden können.

A key ingredient for fault-tolerant quantum computers are sufficiently accurate logic gates on single and multiple qubits in the presence of decohering noise. In this thesis, we theoretically develop and experimentally demonstrate such high-fidelity quantum gates for semiconductor-based quantum computing. Specifically, we consider a qubit encoded in the singlet and one triplet state of two electron spins in GaAs. While its potential for optical coupling makes GaAs an attractive material, highly auto-correlated magnetic field noise from fluctuating nuclear spins leads to considerably lower coherence times than for Si-based devices, where nuclear spins can be removed by isotopic purification. In addition to noise, the control methods used in earlier experiments are based on unrealistic approximations. For these reasons, fidelities well above 99 %, as required by current quantum error correction (QEC) schemes, have not been obtained before this thesis. To tackle these issues, we extend the filter function formalism to describe quantum gates and processes in the presence of experimentally relevant non-Markovian noise. Since this formalism can consider all relevant noise sources in a computationally efficient manner, it can be used to find optimal control pulses by numerical optimization, leading to predicted single-qubit gate fidelities of 99.9 %. Furthermore, we deal with the considerable control challenges associated with this qubit type by experimental calibration of the optimized control pulses. To this end, we extend our previous experimental gate set calibration (GSC) routine to remove systematic gate errors on an arbitrary number of qubits. We apply the numerically optimized single-qubit control pulses to our GaAs sample and experimentally calibrate them with GSC. This procedure yields an average gate fidelity of 99.50 ± 0.04 % and a low leakage rate of 0.13 ± 0.03 % out of the computational subspace, characterized by randomized benchmarking. We also optimize realistic two-qubit control pulses, considering current control hardware as well as interqubit Coulomb and exchange coupling that cannot be fully turned off. Using measured noise spectra, we show that two-qubit gate fidelities of 99.90 % can be reached in GaAs, while 99.99 % can be achieved in Si. These results demonstrate that high-fidelity gates can be realized even in the presence of nuclear spins as in GaAs.

OpenAccess:
PDF
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