Feedforward control of electron spin qubits in quantum dots

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01819
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 中島 峻 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, 上級研究員 (60534344)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 樽茶 清悟 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, グループディレクター (40302799)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子ドット / 電子スピン / 量子ビット / 量子コンピュータ

Outline of Annual Research Achievements

近年、新しいパラダイムにより超高速計算を可能にする量子コンピュータの実現が切望されており、集積化に有利とされるシリコン(Si)基板の量子ドットデバイスによる量子コンピュータの実装研究が進められている。しかしながら現実の量子ビットには様々なエラーが伴うため、エラーを検出し訂正することのできる物理的機構や制御回路の実現が必要である。本課題では、量子エラー訂正回路をはじめ様々なエラーの抑制・訂正に必要とされるフィードフォワード・フィードバック制御技術の基盤を確立することを目標としている。
2022年度は、Si量子ドットデバイスにおいて量子ビットへの影響が大きい電気雑音の制御に注力した。その影響が特に大きくなる2ビットゲート操作時に、電気雑音の影響による量子ビット周波数ずれを検出し、量子ビット制御電圧にフィードバックすることによって2ビット操作時の位相コヒーレンスを改善する実験を実施した。これに関連して、クーロン相互作用により近傍の量子ビットにおける雑音が一定の相関を有することを明らかにし、その影響を定量的に評価する手法を確立した。また、量子ビットの状態を測定しその結果に応じて制御パルスにフィードバックすることにより、量子ビットのアクティブリセット（初期化）を実現した。これと並行して３つの量子ビットを用いた測定によらない位相エラー訂正の実証実験も報告した。これらの技術を組み合わせることによって、測定ベースの量子エラー訂正を実現する基盤技術を確立することができた。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] TUDelft(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: TUDelft
• [Journal Article] Hamiltonian phase error in resonantly driven CNOT gate above the fault-tolerant threshold (2024)
  • Author(s): Wu Yi-Hsien、Camenzind Leon C.、Noiri Akito、Takeda Kenta、Nakajima Takashi、Kobayashi Takashi、Chang Chien-Yuan、Sammak Amir、Scappucci Giordano、Goan Hsi-Sheng、Tarucha Seigo
  • Journal Title: npj Quantum Information Volume: 10 Pages: 8
  • DOI: 10.1038/s41534-023-00802-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid single-shot parity spin readout in a silicon double quantum dot with fidelity exceeding 99% (2024)
  • Author(s): Takeda Kenta、Noiri Akito、Nakajima Takashi、Camenzind Leon C.、Kobayashi Takashi、Sammak Amir、Scappucci Giordano、Tarucha Seigo
  • Journal Title: npj Quantum Information Volume: 10 Pages: 22
  • DOI: 10.1038/s41534-024-00813-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Feedback-based active reset of a spin qubit in silicon (2023)
  • Author(s): Kobayashi T.、Nakajima T.、Takeda K.、Noiri A.、Yoneda J.、Tarucha S.
  • Journal Title: npj Quantum Information Volume: 9 Pages: 52
  • DOI: 10.1038/s41534-023-00719-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Noise-correlation spectrum for a pair of spin qubits in silicon (2023)
  • Author(s): Yoneda J.、Rojas-Arias J. S.、Stano P.、Takeda K.、Noiri A.、Nakajima T.、Loss D.、Tarucha S.
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 19 Pages: 1793～1798
  • DOI: 10.1038/s41567-023-02238-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamical nuclear spin polarization in a quantum dot with an electron spin driven by electric dipole spin resonance (2023)
  • Author(s): Stano Peter、Nakajima Takashi、Noiri Akito、Tarucha Seigo、Loss Daniel
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Pages: 155306
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.155306
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial noise correlations beyond nearest neighbors in 28Si/Si-Ge spin qubits (2023)
  • Author(s): Rojas-Arias J.S.、Noiri A.、Stano P.、Nakajima T.、Yoneda J.、Takeda K.、Kobayashi T.、Sammak A.、Scappucci G.、Loss D.、Tarucha S.
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 20 Pages: 054024
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.20.054024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum error correction with silicon spin qubits (2022)
  • Author(s): Takeda Kenta、Noiri Akito、Nakajima Takashi、Kobayashi Takashi、Tarucha Seigo
  • Journal Title: Nature Volume: 608 Pages: 682～686
  • DOI: 10.1038/s41586-022-04986-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A shuttling-based two-qubit logic gate for linking distant silicon quantum processors (2022)
  • Author(s): Noiri Akito、Takeda Kenta、Nakajima Takashi、Kobayashi Takashi、Sammak Amir、Scappucci Giordano、Tarucha Seigo
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 5740
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33453-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] シリコン量子コンピュータによる小規模量子演算の実装と課題 (2023)
  • Author(s): 中島 峻
  • Organizer: 第106回産研テクノサロン
  • Invited
• [Presentation] 離れたシリコン量子プロセッサ間の量子接続に向けた単一電子スピンシャトルによる2量子ビットゲート (2023)
  • Author(s): Noiri Akito, Takeda Kenta, Nakajima Takashi, Kobayashi Takashi, Sammak Amir, Scappucci Giordano, Tarucha Seigo
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Building a Tiny Quantum Computer with Silicon Quantum Dots (2023)
  • Author(s): Takashi Nakajima
  • Organizer: 22 nd International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Rapid single-shot parity spin readout with fidelity exceeding 99 percent (2023)
  • Author(s): Kenta Takeda, Akito Noiri, Takashi Nakajima, Leon C. Camenzind, Takashi Kobayashi, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pulse Shaping and Composite Pulses for Single-Qubit Gates in SiGe (2023)
  • Author(s): Patrick Butler, Yi-Hsien Wu, Leon C. Camenzind, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hamiltonian Phase Error in Resonantly Driven CNOT Gate Above the Fault-Tolerant Threshold (2023)
  • Author(s): Yi-Hsien Wu, Leon C. Camenzind, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Chien-Yuan Chang, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Hsi-Sheng Goan, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge-induced energy shift of a single spin qubit under magnetic-field gradient (2023)
  • Author(s): Takashi Kobayashi, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Leon C. Camenzind, Ik Kyeong Jin, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identifying the decoherence source of silicon spin qubits based on noise cross-correlation (2023)
  • Author(s): Jun Yoneda, Juan S. Rojas-Arias, Peter Stano, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takashi Nakajima, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Active suppression of low-frequency exchange noise in controlled-phase gate for Si/SiGe spin qubits (2023)
  • Author(s): Yohei Kojima, Takashi Nakajima, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Kobayashi, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of a Flip-Chip Interposer through Photon-Assisted Tunneling in a Double Quantum Dot (2023)
  • Author(s): Ik Kyeong Jin, Takashi Nakajima, Akito Noiri, Kenta Takeda, Leon Camenzind, Yi-Hsien Wu, Misato Taguchi, Takuji Miki, Makoto Nagata, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nuclear spin noise in nat Si/SiGe spin qubits (2023)
  • Author(s): Juan Rojas-Arias, Yohei Kojima, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Peter Stano, Jun Yoneda, Akito Noiri, Takashi Kobayashi, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and characterization of multiple qubit devices (2023)
  • Author(s): Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Leon C. Camenzind, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Seigo Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum computing with spin qubits in silicon (2023)
  • Author(s): Takashi Nakajima
  • Organizer: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シリコンスピン量子ビットによる量子コンピュータ開発 (2022)
  • Author(s): 中島 峻
  • Organizer: 電気情報通信学会 量子情報技術研究会 QIT46
  • Invited
• [Presentation] 半導体量子コンピュータ研究の現状と展望 (2022)
  • Author(s): 中島 峻
  • Organizer: 電子情報通信学会システムナノ技術に関する特別研究専門委員会
  • Invited
• [Presentation] Correlated charge noise in Si/SiGe quantum dot spin qubits (2022)
  • Author(s): Rojas Arias, Sebastian Juan, Noiri Akito, Stano Peter, Yoneda Jun, Nakajima Takashi, Takeda Kenta, Kobayashi Takashi, Loss Daniel, Tarucha Seigo
  • Organizer: The 24th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics (HMF-24)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coherence improvement of semiconductor spin qubits via active noise cancelling (2022)
  • Author(s): Takashi Nakajima
  • Organizer: The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シリコン電子スピン量子ビットにおける高忠実２量子ビット操作 (2022)
  • Author(s): Noiri Akito, Takeda Kenta, Nakajima Takashi, Kobayashi Takashi, Sammak Amir, Scappucci Giordano, Tarucha Seigo
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] A shuttling-based two-qubit gate for linking distant silicon quantum processors (2022)
  • Author(s): Noiri Akito, Takeda Kenta, Nakajima Takashi, Kobayashi Takashi, Sammak Amir, Scappucci Giordano, Tarucha Seigo
  • Organizer: 2022 Silicon Quantum Electronics Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Quantum Functional System Research Group
  • URL: http://qfsrg.riken.jp/index.html