2019 Fiscal Year Annual Research Report
High-fidelity two-qubit gates for semiconductor quantum-dot spin qubits
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17K14078
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
武田 健太 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (80755877)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 量子情報 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度作製した、２量子ビット操作に適した構造を持つシリコン２重量子ドットデバイスの測定を引き続き行った。まず、各量子ドット中の電子スピンの１量子ビット操作（電場駆動単一電子スピン共鳴）の実験を行った。結果、それぞれのスピン量子ビットについて明瞭なラビ振動が得られた。
続いて、２つの量子ビット間の結合（スピン交換相互作用）の制御の実験を行った。スピン交換相互作用は、量子ドット間のトンネル結合を制御することができる。本実験では、20MHz程度と１量子ビットの位相緩和レート(0.5MHz程度)に比べて十分大きい値を得ることができた。
この交換相互作用下で１つの電子に対してスピン共鳴を行うことで、制御回転操作(CROT)を実装することができる。制御回転操作(CROT)操作を行い、そのラビ振動を観測したところ、理想的な減衰の小さい振動を確認することができた。これより高い精度でCNOT操作（半周期分のCROT操作）が実装できたと考えられる。CNOT操作の性能評価のため、2量子ビット最大もつれ状態（ベル状態）を生成し、その量子状態トモグラフィーを行った。結果、平均９０％程度の忠実度が得られており、先行研究と比べても高い性能でCNOT操作が実装できていることが確認できた。
さらに、交換相互作用を交流変調することで可能であるSWAP操作の実装を行った。こちらについても、SWAP操作時間に対して明瞭な２スピン交換に相当するラビ振動が観測された。また、ランダム化ベンチマーキングを行い、99.6%の操作忠実度を得た。
SWAP操作の実装結果を論文としてまとめ、Physical Review Letter誌に掲載した。
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