A photonic platform for donor spin qubits in silicon
对于即将到来的固态量子技术来说，硅-28中的施主杂质自旋是极具竞争力的量子比特，但对于多量子比特设备来说，一个经过验证的可扩展策略仍然明显缺乏。这些CMOS兼容的、原子上相同的量子位提供了显著的优势，包括3小时相干性（$T_2$）寿命，以及在$\sim\!99.9\%$附近的同时量子位初始化、操纵和读出能力。这些性质满足了许多现代量子纠错协议的要求，这些协议对于构建大规模通用量子技术至关重要。然而，一种可靠地耦合空间分离的量子位的方法，其关键是不牺牲量子位质量并且对制造缺陷具有鲁棒性，尚未被确定。在这里，我们提出了这样一个平台的施主量子位在硅中，通过利用光学可访问的“深”硫族施主。我们发现，这些捐助者发出高度均匀的光，可以光学初始化，并提供长寿命的自旋量子位基态，而不需要毫开尔文温度。这些组合性质使得硫族元素供体独特地适合于并入硅光子架构中以用于单激发单量子位读出以及用于多量子位耦合。这为硅基量子计算、自旋到光子转换、光子存储器、硅集成触发单光子源和全光硅开关打开了清晰的道路。
2016-06-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum error correction with silicon spin qubits
大规模量子计算机依靠量子纠错来保护脆弱的量子信息。在量子计算设备的可能候选者中，基于硅的自旋量子比特由于其与成熟的纳米纤维技术的兼容性而具有很大的前景。硅基量子位的最新进展使得高质量的单量子位和双量子位系统的实现成为可能。然而，量子纠错的演示仍然是一个开放的挑战，它需要三个或更多的耦合量子位，往往涉及一个三量子位门。在这里，我们展示了一个硅中的三量子位相位校正码，其中编码的三量子位状态被保护免受三个量子位之一的任何相位翻转错误的影响。对这种编码状态的校正是通过三量子位条件旋转来执行的，我们通过高效的单步共振驱动iToffoli门来实现。正如预期的那样，误差校正减轻了由于一个量子位相位翻转引起的误差以及由于准静态相位噪声引起的固有失相。这些结果显示了量子纠错的成功实现以及硅基平台用于大规模量子计算的潜力。
2022-01-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Protocol for a resonantly-driven three-qubit Toffoli gate with silicon spin qubits
三量子比特Toffoli门在量子纠错和复杂的量子算法（如Shor的因子分解算法）中起着重要的作用，激发了对这种门的有效实现的搜索。本文介绍了一种适用于硅量子点阵列中交换耦合电子自旋量子比特的Toffoli门。我们的协议是一个自然的延伸，以前证明了硅自旋量子位的共振驱动CNOT门。它是基于一个单一的交换脉冲与谐振微波驱动相结合，与操作时间的顺序为100纳秒和保真度超过99%。我们分析了校准误差和1/f噪声对门保真度的影响，并将门性能与由双量子位门合成的Toffoli门进行了比较。我们的方法很容易推广到其他受控的三量子比特门，如Deutsch和Fredkin门。
2019-05-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
A shuttling-based two-qubit logic gate for linking distant silicon quantum processors
使用两个量子比特门在远程量子处理器处控制量子比特之间的纠缠是量子计算的可扩展的模块化实现的基本功能。在众多量子位平台中，硅量子点中的自旋量子位具有大规模集成的前景以及它们的纳米加工能力。然而，连接遥远的硅量子处理器具有挑战性，因为自旋量子位中的双量子位门通常利用短程交换耦合，这仅在最近的相邻量子点之间有效。在这里，我们通过相干自旋穿梭演示了自旋量子位之间的双量子位门，这是连接远程硅量子处理器的关键技术。自旋量子位的相干穿梭使得交换耦合的有效切换具有超过1,000的开/关比，同时对于相邻点之间的单次穿梭保持99.6%的自旋相干性。通过这种穿梭模式交换控制，我们展示了一个保真度为93%的双量子比特控制相位门，通过随机基准测试进行评估。将我们的技术与量子比特在大型量子点阵列上的相位相干穿梭相结合，将为远程硅量子处理器之间的量子链路提供可行的路径，这是大规模量子计算的关键要求。
2022-09-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-qubit silicon quantum processor with operation fidelity exceeding 99%
硅自旋量子比特满足量子信息处理的必要标准。然而，一直缺乏高保真度状态准备和读出与高保真度单量子位和双量子位门相结合的演示，所有这些都必须存在于量子纠错中。我们使用两个量子位Si/SiGe量子处理器来演示状态准备和读出，保真度超过97%，结合单量子位和两个量子位的控制精度超过99%。量子处理器的操作的定量特征在于使用门集断层扫描和随机基准。我们的研究结果突出了硅自旋量子比特成为中等规模量子处理器发展中的主导技术的潜力。
2021-11-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
High fidelity state preparation, quantum control, and readout of an isotopically enriched silicon spin qubit
量子系统必须以高保真度进行准备、控制和测量，以便执行复杂的量子算法。硅自旋量子位的控制精度已经大大提高，但状态准备和读出精度通常很差。通过在低电子温度下工作并采用高带宽低温放大器，我们证明了单量子比特读出的灵敏度> 99%，超过了量子纠错的阈值。在相同的器件中，我们实现了平均单量子比特控制精度> 99.95%。我们的研究结果表明，硅自旋量子比特可以操作具有高的整体操作保真度。
2022-04-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent spin qubit transport in silicon
容错量子处理器可以使用仅与它们最近的邻居相互作用的静止量子比特来配置，但是以每个逻辑量子比特的物理量子比特的显著开销为代价。这种开销可以通过在芯片上相干地传输量子比特来减少，从而允许直接相邻的连接。在这里，我们展示了在同位素富集的硅中的量子点之间的电子自旋量子比特的高保真相干传输。我们观察了量子位的进动在网站间隧道制度和评估的影响，量子位输运使用拉姆齐干涉术和量子态层析技术。我们报告了99.97%的偏振传输保真度和99.4%的平均相干传输保真度。我们的研究结果提供了高保真度的关键要素，芯片上的量子信息分布，长期设想，加强硅基自旋量子比特的缩放前景。
2020-09-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Quantum Network of Silicon Qubits using Mid-Infrared Graphene Plasmons
我们考虑一个量子网络的中红外，石墨烯等离子体耦合到氢类激发态的V族施主在硅。首先，我们展示了如何使用等离子体增强的光-物质相互作用，通过光激发和电检测发射的等离子体来实现供体量子比特的单次自旋读出。然后，我们展示了如何在高迁移率石墨烯纳米带的等离子体激元可以用来实现高保真度，两个量子比特门和纠缠的远Si施主量子比特。所提出的器件容易与现有技术和制造方法兼容。
2014-07-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Theory of Silicon Spin Qubit Relaxation in a Synthetic Spin-Orbit Field
我们发展了在磁场梯度存在下单电子硅自旋量子比特弛豫的理论。这种场梯度通常由芯片上的微磁体产生，以允许自旋量子位上的电控量子门。我们建立在一个山谷依赖的包络函数理论，使电子波函数的分析在硅量子点与任意粗糙度的界面。我们假设在Si/SiGe界面处存在单层原子台阶，并研究梯度场的存在如何修改自旋混合机制。我们表明，我们的理论模型可以定量再现的实验测量结果的量子位弛豫在硅中的微磁体的存在。我们进一步详细研究了场梯度如何改变硅自旋量子比特的EDSR拉比频率。虽然这在很大程度上取决于界面粗糙度的细节，但有趣的是，我们发现在具有理想界面的自旋量子比特顶部添加微磁体甚至可以在外部磁场强度的某个间隔内降低EDSR频率。
2022-02-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Materials for Silicon Quantum Dots and their Impact on Electron Spin Qubits
量子计算机有可能有效地解决物流、药物和材料设计、金融和网络安全方面的问题。然而，为了纠正量子操作中不可避免的错误，需要数百万个量子比特。在这种情况下，栅极定义的硅量子点中的电子自旋是编码量子位的有力竞争者，利用微电子行业的专业知识制造具有纳米级电极的密集芯片。然而，商业制造的晶体管中使用的复杂材料组合将对脆弱的量子位产生非常不同的影响。我们在这里回顾了对量子比特性能和可变性有直接影响的材料的一些关键特性。
2021-07-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fidelity benchmarks for two-qubit gates in silicon
通用量子计算将需要基于可扩展平台的量子比特技术，以及对单量子比特和双量子比特门操作的最大不一致性进行严格限制的量子纠错协议。虽然各种量子位系统在单量子位水平上显示出高的量子位，但超导体技术是唯一通过标准光刻技术制造的固态量子位，其已经证明了接近容错阈值的双量子位量子位。基于硅的量子点量子位也适合于大规模制造，并且可以使用同位素富集的硅实现高的单量子位栅极结晶度（超过99.9%）。然而，虽然已经在硅中展示了双量子位门，但还不可能使用随机基准测试来严格评估它们的可靠性，因为这需要以非零保真度完成大量量子位操作（$\gtrsim 20$）的序列。在这里，对于在门定义的量子点的电子自旋状态上编码的量子比特，我们展示了贝尔状态断层扫描，其精确度范围从80%到89%，以及两个量子比特随机基准测试，平均Clifford门保真度为94.7%，平均受控ROT（CROT）保真度为98.0%。发现与量子位的退相干时间$T_2^*$相比，这些量子度受到这里采用的相对慢的门时间的限制。因此，采用基于高拉比频率的快速门操作的硅量子比特设计，以及先进的脉冲技术，应该在不久的将来实现显着更高的量子效率。
2018-07-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Low dephasing and robust micromagnet designs for silicon spin qubits
使用微磁体在硅量子位中实现电子自旋操纵已经成为一种非常流行的方法，使单量子位门的量子数大于99：9%。然而，这些微磁体也将杂散磁场梯度施加到量子比特上，使得自旋状态容易受到电场噪声的影响，并限制了它们的相干时间。我们在这里描述了一种磁体设计，它可以最大限度地减少量子位的失相，同时允许快速的量子位控制和寻址能力。具体而言，我们设计和优化磁体尺寸和相对于量子点的位置，最大限度地减少来自磁场梯度的失相。这种设计的微磁感应退相速率比最先进的实现方式低3个数量级，允许长的相干时间。这种设计对制造误差是鲁棒的，并且可以与各种各样的硅量子比特器件几何形状相结合，从而允许探索相干限制因素和新颖的放大方法。
2021-08-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast high-fidelity single-qubit gates for flip-flop qubits in silicon
触发器量子比特，在硅中与反平行的施主束缚电子和施主核自旋的状态中编码，展示了长的相干时间，良好的可控性，并且与其他基于施主自旋的方案相比，长距离耦合。然而，界面附近的电子自旋控制可能会将弛豫时间缩短许多数量级，从而降低整体量子位品质因数。在这里，我们从理论上研究了由相互作用的电子和核自旋形成的多能级系统，并导出了有和没有周期驱动的解析有效两能级哈密顿量。然后，我们提出了一个最佳的控制方案，产生快速和强大的单量子比特门的存在下，低频噪声，而不依赖于参数限制的甜蜜点。该方案大大增加了弛豫时间和量子位品质因数。
2022-10-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Single-tone pulse sequences and robust two-tone shaped pulses for three silicon spin qubits with always-on exchange
量子计算需要在可扩展平台上的高保真单量子比特和双量子比特门。硅自旋量子比特是实现这一目标的一个有前途的平台。在本文中，我们展示了如何执行单量子位和CZ门在一个线性链的三个自旋量子位与始终打开的交换耦合，这是相关的某些点和施主为基础的硅器件。我们还展示了如何使CZ门强大的电荷噪声和脉冲长度误差使用双音脉冲整形方法。鲁棒脉冲在交换或脉冲幅度波动为3.5%时保持99.99%的保真度，这是对未校正脉冲的改进，在未校正脉冲中，这种保真度只能在交换幅度波动高达2%或高达0.2%时保持。
2021-06-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
A CMOS silicon spin qubit
硅是微处理器芯片的主要组成部分，正成为实现未来量子处理器的一种有前途的材料。利用其成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术将是开发可扩展量子计算架构及其与经典控制硬件协同集成的明显资产。在这里，我们报告了一个硅量子位（量子位）设备与行业标准的制造工艺。该器件由一个双栅，p型晶体管与未掺杂的沟道。在低温下，第一栅极限定编码空穴自旋量子位的量子点（QD），第二栅极限定用于量子位读出的QD。自旋量子位的所有电双轴控制是通过对第一门施加相位可调微波调制来实现的。我们的研究结果开辟了一条可行的途径，通过一个易于开发的CMOS平台量子位放大。
2016-05-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings
实用的量子计算机需要构建一个由高度相干的量子比特组成的大型网络，这些量子比特在设计上相互连接，对错误具有鲁棒性。硅中的施主自旋提供了最先进的相干性和量子门相干性，在一个物理平台上，从工业半导体处理。在这里，我们提出了一种可扩展的硅量子处理器设计，不需要精确的施主位置，并允许数百纳米的量子位间距，因此便于使用当前技术制造。所有的量子位操作都是通过电子手段在磷供体的电子核自旋态上进行的。单量子比特门在微波频率下使用低功率电驱动，而快速双量子比特门利用电偶极-偶极相互作用。微波谐振器允许毫米距离的纠缠和与光子链路的接口。甜蜜点保护量子位免受高达二阶的电荷噪声的影响，这意味着即使没有任何主动噪声消除技术，也可以在低于量子纠错阈值的错误率下执行所有操作。
2017-03-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast noise-resistant control of donor nuclear spin qubits in silicon
高度的可控性和长的相干时间使得同位素纯化硅中的磷施主的核自旋成为量子比特的有希望的候选者。然而，长距离的双量子位耦合和快速，鲁棒的门仍然是这些系统的突出挑战。在这里，根据最近提出的通过偶极-偶极相互作用进行长距离耦合的建议，我们提出了一种简单的方法，在没有电荷噪声的情况下实现快速，高保真的任意单量子位和双量子位门。此外，我们还提供了一种方法，使单量子位门对中等水平的电荷噪声具有鲁棒性，并且完全在$10^{-3}$的误差范围内。
2020-05-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exchange-Only Spin-Orbit Qubits in Silicon and Germanium
QuTech, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学 QuTech）
本文提出了一种基于自旋轨道相互作用的仅交换量子比特，通过两个退化态实现低泄漏两量子比特门，克服了传统方法的局限性。
2024-10-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
A silicon singlet-triplet qubit driven by spin-valley coupling
自旋轨道效应，固有的限制在量子点在硅异质界面的电子，提供了一种手段来控制电子自旋量子比特，而没有增加复杂性的芯片上，纳米制造的微磁体或附近的共面带状线。在这里，我们展示了一种新的单重态-三重态量子比特操作模式，可以在超过200 MHz的频率下驱动量子比特演化。这种方法提供了一种电开启和关闭快速控制的方法，同时提供了高逻辑门正交性和长量子位失相时间。我们利用这种工作模式进行动态去耦实验，探测硅金属氧化物半导体双量子点中的电荷噪声功率谱。此外，我们还评估了量子比特在较长时间尺度上的频率漂移，以捕获低频噪声。我们提出的电荷噪声功率谱密度高达3 MHz，表现出$1/f^α$依赖一致的$α\sim 0.7$，超过9个数量级的噪声频率。
2021-11-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum tomography of an entangled three-spin state in silicon
量子纠缠是相干量子态的基本性质，也是量子计算的重要资源。虽然两个量子比特的纠缠已经被证明是硅中的自旋，但由于控制多量子比特阵列的困难，例如设备无序，磁和电噪声以及严格的交换控制，多体纠缠的创建，实现量子纠错的第一步，仍然具有挑战性。在这里，我们展示了一个全功能的三量子位阵列在硅中的操作和三量子位Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）状态的产生。我们通过量子态层析术获得了88.0%的态保真度，这证明了一个真正的GHZ级的量子纠缠是不可分的。我们的结果显示了基于硅的量子位平台用于多量子位量子算法演示的潜力。
2020-10-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust two-qubit gates for donors in silicon controlled by hyperfine interactions
我们提出了两种策略，用于对硅中磷供体的交换耦合对的电子自旋进行双量子比特操作，使用将供体核自旋设置在任意状态的能力。当$^{31}$ P核处于相反的自旋态时，超精细相互作用提供了两个电子量子比特的有效磁失谐。这可以被利用来开启和关闭SWAP操作，其中适度地调节电子交换相互作用。此外，超精细失谐实现了基于选择性共振激发的高保真条件旋转门。后者根本不需要动态调整交换相互作用，并且提供了一个非常有吸引力的方案来在现实的实验条件下实现两个量子位逻辑门。
2013-12-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Achieving High Fidelity Single Qubit Gates in a Strongly Driven Silicon Quantum Dot Hybrid Qubit
尽可能快地执行量子位门操作对于最小化退相干的影响可能是重要的。对于谐振门，这需要施加强交流驱动。然而，强驱动可能会导致泄漏到量子比特子空间之外的水平，从而带来控制挑战。强驱动也可能带来理论挑战，因为旋转波近似等首选工具可能会崩溃，导致难以控制的复杂动力学。在这里，我们分析了硅量子双点混合量子比特的$X$共振旋转的缀饰态形式主义，获得的结果超出了旋转波近似。我们得到了最佳驱动频率和拉比频率的解析公式，这两者都受到强驱动。虽然量子比特状态表现出快速振荡，由于反向旋转项和泄漏，我们表明，它们可以被抑制到一个点，即门以上的$99.99\%$是可能的，在退相干的情况下。因此，退相干机制，而不是强驱动效应，应该代表量子点混合量子比特中谐振栅性能的限制因素。
2017-07-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Control of valley dynamics in silicon quantum dots in the presence of an interface step
最近在硅纳米结构上的实验已经在可扩展的、长寿命的量子信息处理方面取得了突破。谷自由度在这些器件中起着基础作用，硅量子点的两个最低能量的电子态可以形成谷量子比特。在这项工作中，我们表明，在硅/势垒界面处的单原子高台阶诱导量子比特和面内电场的强相互作用，并分析这种增强的相互作用对量子比特动力学的后果。量子位状态的电荷密度通过界面步骤而不同地变形，从而允许通过谷到电荷转换的非破坏量子位读出。栅极诱导的平面内电场与界面台阶一起使得能够经由电驱动的谷谐振来快速控制谷量子位。我们计算单和双量子位门时间，以及弛豫和失相时间，并提出预测的参数范围内的门时间可以比弛豫时间短得多，失相减少。
2016-04-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherence protection of a silicon hole spin qubit with phase-modulated microwave driving
Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；Hitachi, Ltd.（日立有限公司）；University of Tokyo（东京大学）
该研究针对硅空穴自旋量子比特的相干时间受限问题，采用相位调制级联连续驱动技术抑制低频噪声，稳定拉比振荡并实现相干调控与噪声保护，为抗噪空穴自旋量子比特提供了可行方案。
2026-10-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Flux qubit-based detector of microwave photons
本文提出一种基于磁通量子比特的多能级微波光子探测理论，通过求解Lindblad方程并结合绝热-脉冲近似与速率方程，描述了读出和重置阶段的驱动-耗散动力学，为单光子探测等应用提供理论支持。
2024-10-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Fast universal quantum control above the fault-tolerance threshold in silicon
容错量子计算机依靠量子纠错来解决难题。最有前途的纠错码之一是表面码，它要求通用门的纠错阈值超过99%。在许多量子位平台中，只有超导电路、捕获离子和金刚石中的氮空位中心满足这些要求。硅中的电子自旋量子位由于其纳米级的能力而特别有希望用于大规模量子计算机，但是由于操作缓慢，双量子位门保真度被限制在98%。在这里，我们展示了99.5%的双量子位门保真度，以及99.8%的单量子位门保真度，在硅自旋量子位通过使用微磁感应梯度场和可调谐的两量子位耦合的快速电控制。我们确定了量子比特旋转速度和耦合强度的条件，我们鲁棒地实现高保真门。我们实现了Deutsch-Jozsa和Grover搜索算法，使用我们的通用门集具有很高的成功率。我们的研究结果证明了通用门保真度超过容错阈值，并为可扩展的硅量子计算机铺平了道路。
2021-08-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent Josephson phase qubit with a single crystal silicon capacitor
我们在约瑟夫森相位量子比特中加入了一个单晶硅并联电容。该电容器是从一个商业绝缘体上硅晶片。Bosch反应离子蚀刻用于创建悬浮的硅膜;随后两侧的金属化用于形成电容器。晶体硅优异的介电损耗导致量子位能量弛豫时间显著增加。测量到的T1时间高达1.6微秒，比非晶相量子比特中看到的大两倍多。该设计易于扩展到包含多个量子位和谐振器的较大集成电路。
2012-10-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
On-chip cavity quantum phonodynamics with an acceptor qubit in silicon
我们描述了一个基于芯片的，固态模拟腔QED利用声学声子，而不是光子。我们展示了硅纳米机械腔中的长寿命和可调谐受主杂质态如何发挥相干声子的物质非线性的作用，例如，约瑟夫森量子比特在电路量子电动力学中起作用。在1 - 20 GHz范围内的腔中可以达到强耦合（拉比振荡数~100）和强色散耦合（0.1 - 2 MHz）机制，从而能够控制单个声子、声子-声子相互作用、受体量子位的色散声子读出以及与其他光学机械组件（如声子-光子翻译器）的兼容性。我们预测明确的实验签名的受体腔系统。
2013-08-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity and robust two-qubit gates for quantum-dot spin qubits in silicon
最近，在同位素富集硅中实现了一种双量子位控制非门（CNOT），该门由控制相位门和单量子位门组成，用于量子点自旋量子位。在实验中，单量子比特门已经被证明具有容错控制保真度，但是双量子比特C相门的不保真度主要是由于电噪声，仍然高于容错量子计算（FTQC）所需的错误阈值。在这里，考虑到现实的系统参数和实验上的限制的控制脉冲，我们构建实验可实现的高保真CNOT门强大的抗电噪声与实验测得的$1/f^{1.01}$噪声谱，也对点间隧道耦合幅度的不确定性。我们的最佳CNOT门有大约两个数量级的改善，在不考虑任何噪声影响的情况下构造的理想C相门的门失真。此外，在相同的控制框架内，还可以构建高保真和鲁棒的单量子比特门，为大规模FTQC铺平道路。
2018-06-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
A tunable quantum dissipator for active resonator reset in circuit QED
我们提出了一种基于可调谐耗散模式的快速确定性谐振器复位方法。该整流器基于具有相对低的品质因数的约瑟夫森结。当谐振器被调谐成与高质量微波谐振器谐振时，谐振器光子以比谐振器弛豫速率快几个数量级的速率被谐振器吸收。我们确定了实现可调谐光放大器的最佳参数，并研究了该光放大器在电路量子电动力学中去除量子比特读出腔中杂散光子布居的应用。我们表明，即使在非线性大光子占用制度，这种增强的谐振腔衰减率可以通过适当的调制的振荡器频率。
2018-11-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon qubit fidelities approaching incoherent noise limits via pulse engineering
容错量子计算的性能要求非常严格。量子比特必须以远低于1%的错误率进行操纵、耦合和测量。对于半导体实现，硅量子点自旋量子位已经证明了接近该阈值的平均单量子位Clifford门错误率，特别是在同位素富集的$^{28}$ Si/SiGe器件中具有0.14%的错误率。这种门的性能，以及高保真双量子比特门和测量，仅在假设噪声是不相干的情况下，才已知满足某些架构中的容错量子计算的阈值，并且需要更低的错误率来减少开销。在这里，我们的实验表明，脉冲工程技术，广泛用于磁共振，改善平均Clifford门错误率为0.043%的硅量子点自旋量子比特，一个因素3以前的最佳结果改善硅量子点设备。通过在随机基准中包括断层扫描完整的测量，我们推断出噪声的高阶特征，称为酉性，它测量噪声的相干性。这反过来又使我们能够从理论上预测，通过进一步的脉冲改进，可以实现低至0.026%的平均门错误率。这些性能最终受到马尔可夫噪声的限制，我们将其归因于从硅器件结构本身或环境发出的电荷噪声。
2020-01-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable Spin Qubit Architecture with Donor-Cluster Arrays in Silicon
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；International Quantum Academy（国际量子研究院）；Shenzhen Branch, Hefei National Laboratory（合肥国家实验室深圳分部）
该研究提出一种基于二维供体簇阵列的硅自旋量子位架构，通过共享束缚电子实现多供体地址化，利用可调交换相互作用实现局部全连接，并展示出高保真度的多量子位操作及量子纠错能力。
2026-05-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-orbit Interactions for Singlet-Triplet Qubits in Silicon
体硅中电子的自旋轨道耦合相对较弱，但据报道，在纳米结构中，如用于自旋量子位的量子点，相互作用增强。这些相互作用归因于各种不同的界面效应，包括无序或破坏晶体对称性。在这封信中，我们使用一个双量子点量子比特，通过比较分离的单重态-三重态电子对的自旋来探测这些相互作用。我们观察到的intravalley和intervalley机制，每个占主导地位的[110]和[100]磁场方向，分别与破缺晶体对称模型。我们还观察到第三个自旋翻转机制引起的量子点之间的隧道。这种改进的理解对于量子位均匀性，自旋控制和退相干以及双量子位门非常重要。
2019-06-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum CNOT Gate for Spins in Silicon
单量子比特旋转和双量子比特CNOT运算是通用量子计算的关键组成部分。虽然已经使用电子自旋自由度实现了高保真单量子位操作，但由于快速的核自旋退相和电荷噪声，实现鲁棒的CNOT门一直是一个主要挑战。我们展示了一个有效的共振驱动CNOT门的电子自旋在硅。我们的平台实现了单量子位旋转，其重复率> 99%，通过随机基准测试验证。交换耦合的栅极控制允许在~200 ns内实现具有谐振驱动的量子CNOT门。我们使用CNOT门来产生具有75%保真度的Bell态，受限于量子态读出。我们的量子点器件架构为硅中的多量子位算法打开了大门。
2017-08-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Conditional quantum operation of two exchange-coupled single-donor spin qubits in a MOS-compatible silicon device
硅纳米电子器件可以承载单量子位量子逻辑运算，保真度优于99.9%。对于通过离子注入引入硅中的与单个施主原子结合的电子的自旋，量子信息可以存储近1秒。然而，用这种方法制造可扩展的量子处理器被认为是具有挑战性的，因为介导量子位之间耦合的交换相互作用的指数灵敏度。在这里，我们证明了有条件的，相干控制的电子自旋量子位在交换耦合对$^{31}$ P施主注入硅。耦合强度，$J = 32.06 \pm 0.06$ MHz，测量光谱与前所未有的精度。由于耦合弱于使两个电子失谐的电子-核超精细耦合$A \approx 90$ MHz，因此可以通过简单的电子自旋共振脉冲获得原生双量子比特受控旋转门。该方案对$J$的精确值不敏感，这使得它适用于硅中基于供体的量子计算机的放大，该硅利用经典电子工业中常用的金属氧化物半导体制造协议。
2020-06-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hyperfine-assisted decoherence of a phosphorus nuclear-spin qubit in silicon
硅中磷原子的核自旋已被用作各种量子信息实验中的量子比特。有人提出，这种核自旋量子比特可以有效地控制由一个交流电场，当嵌入在一个两个电子点施主设置受到本征或人工自旋轨道相互作用。将量子位暴露于该设置中的控制电场也将其暴露于电噪声。在这项工作中，我们描述了电噪声机制（例如声子和$1/f$电荷噪声）的影响，并估计了核自旋量子比特相应的退相干时间尺度。我们确定了一个有前途的参数范围内的电单量子比特操作至少快一个数量级，然后退相干。在这种情况下，由于$1/f$电荷噪声，退相干由退相主导。我们的研究结果有利于纳米结构的优化设计，以证明电驱动的核自旋共振。
2019-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity adiabatic inversion of a $^{31}\mathrm{P}$ electron spin qubit in natural silicon
对半导体中自旋的高保真度量子控制的主要限制是存在由主体材料的核自旋浴产生的强烈波动场。在这里，我们证明了一个电子自旋量子位绑定到一个$^{31}$ P原子在天然硅单量子位门的结晶度的实质性改善，通过应用绝热反转，而不是窄带脉冲。我们实现了97%的反转保真度，我们观察到的签名的自旋共振光谱和自旋相干时间是一致的存在下，一个额外的交换耦合供体。这项工作突出了绝热反演技术的有效性，在起伏的环境中的自旋控制。
2013-12-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
A SWAP Gate for Spin Qubits in Silicon
本文在硅量子点中演示了约25纳秒的快速SWAP门，通过高度可调的J与ΔE_z比率实现高保真度操作，解决了自旋量子比特阵列的连接性问题，为芯片上量子通信和量子模拟奠定基础。
2023-10-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Phonon-induced relaxation and decoherence times of the hybrid qubit in silicon quantum dots
我们从理论上研究了硅中混合量子比特的声子诱导弛豫和退相干过程。当失谐量接近零时，混合量子比特表现为电荷量子比特，而对于大失谐量值，混合量子比特表现为自旋量子比特。它是从静电定义的双量子点开始实现的，其中三个电子被限制并仅通过电调谐来操纵。通过采用三能级量子比特有效模型和描述的环境浴作为一系列的谐振子在热平衡状态，我们提取的弛豫和退相干时间的函数浴光谱密度和浴温度使用布洛赫Redfield理论。对于Si量子点，能量色散受到谷的物理学的强烈影响，即导带最小值，因此我们在分析中还包括谷激发的贡献。我们的研究结果提供了基本的信息时，不可避免的与环境的相互作用，并考虑温度的影响系统的退相干特性。
2019-07-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Flopping-mode electric dipole spin resonance in phosphorus donor qubits in silicon
基于硅中磷施主的单自旋量子比特是大规模量子计算机的一个有希望的候选者。尽管相干时间长，但由于纳米级高频磁场控制的挑战，实现均匀的磁控制仍然是放大的障碍。在这里，我们提出了一个基于双磷给体量子点的电子和核自旋态组合的翻转模式电偶极自旋共振量子比特的建议。利用基于供体的系统的关键优势在于，我们可以设计每个量子点中供体原子核的数量。通过创建具有反平行核自旋状态和多电子占据的多施主点，我们可以最小化纵向磁场梯度，已知该梯度将电荷噪声耦合到设备中并使量子位退相。我们描述了量子比特的操作，并表明，通过最小化核自旋的超精细相互作用，我们可以实现$π/2-X$门错误率$\sim 10^{-4}$使用现实的噪声模型。我们强调，在这些全外延磷掺杂硅量子比特的低电荷噪声环境将有利于实现强耦合的量子比特超导微波腔允许长距离双量子比特操作。
2021-05-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent transfer of quantum information in silicon using resonant SWAP gates
基于硅量子点自旋的固态量子处理器正在成为量子信息处理的强大平台。高保真度的单量子位和双量子位门最近已经被证明，大型可扩展量子位阵列现在被常规制造。然而，双量子比特门是通过最近邻交换相互作用介导的，这需要直接波函数重叠。这限制了这些设备的整体连接性，并且是实现纠错、量子随机存取存储器和多量子比特量子算法的主要障碍。为了扩展连接性，量子比特可以使用量子SWAP门在设备周围穿梭，但相位相干SWAP尚未在硅设备中实现。在这里，我们展示了一种新的单步谐振SWAP门。我们首先使用门来有效地初始化和读出我们的双量子点。然后，我们表明，门可以移动自旋本征态在100 ns的平均保真度$\bar{F}_{SWAP}^p$ = 98%。最后，任意两个量子比特的产品状态的转移基准使用状态断层扫描和Clifford随机基准，产生的平均保真度为$\bar{F}_{SWAP}^c$ = 84%的门操作时间为~300 ns。通过相干自旋输运，我们的共振SWAP门实现了非相邻量子比特的耦合，从而为使用硅自旋量子比特的大规模实验铺平了道路。
2019-06-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-qubit CZ gates robust against charge noise in silicon while compensating for crosstalk using neural network
使用硅自旋量子位的双量子位门的保真度受到电荷噪声的限制。当试图使用局部回波脉冲动态补偿电荷噪声时，串扰可能导致复杂化。我们提出了一种使用深度神经网络来优化分析设计的复合脉冲序列的组件的方法，从而产生对电荷噪声误差鲁棒的双量子位门，同时还考虑到串扰。我们分析了两个实验动机的情况。对于具有强EDSR驱动和可忽略串扰的场景，复合脉冲序列产生比简单余弦脉冲高出一个数量级的改进。在具有中等ESR驱动和明显串扰的情况下，使得简单的分析控制场是无效的，使用神经网络方法的优化允许保持数量级的改善，尽管串扰。
2022-06-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
On the feasibility of quantum teleportation protocols implemented with Silicon devices
本文通过多尺度模拟构建硅基五量子点系统，设计并计算验证了五量子比特量子隐形传态协议，展示了硅量子点器件的高级可编程性，为实用量子信息处理设计提供指导。
2024-10-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
A programmable two-qubit quantum processor in silicon
随着量子比特测量和控制精度超过容错阈值，许多注意力正转向将物理量子比特的数量按比例增加到容错量子计算所需的大量数量的艰巨任务。这里，基于量子点的自旋量子位由于其高密度、全电操作和集成到工业平台上的潜力而可以提供显著的优点。在这个系统中，初始化，读出，单和双量子位门已被证明在各种量子位表示。然而，正如其他小规模量子计算机演示所看到的那样，将这些元素结合起来会带来新的挑战，包括量子位串扰、状态泄漏、校准和控制硬件，这些都为扩大规模提供了宝贵的见解。在这里，我们解决这些挑战，并通过执行Deutsch-Josza和Grover搜索算法来演示硅中的可编程双量子位量子处理器。此外，我们还通过对Bell态的量子态层析，测量了态的纠缠度在85-89%之间，并发度在73- 80%之间，从而在我们的处理器中消除了纠缠。这些结果为使用限制在量子点上的自旋的更大规模量子计算机铺平了道路。
2018-05-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Valley-enhanced fast relaxation of gate-controlled donor qubits in silicon
界面附近施主电子的栅极控制是基于施主的量子计算的一般成分。在这里，我们解决的问题：如何声子辅助量子位弛豫时间$T_1$的电子之间的施主和界面穿梭的影响？我们专注于“触发器量子位”的例子[Tosi等人，arXiv：1509.08538v1]，定义为硅中磷供体的核态和电子态的组合，当电子在供体和界面之间的中途时，有望实现快速的电控制和长的退相时间。我们从理论上描述了轨道弛豫，触发器弛豫和电子自旋弛豫。我们估计触发器量子位弛豫时间可以是$100 \, μ\text{s}$的量级，比体硅中的施主电子的值短8个数量级，并且比预测的非均匀退相时间（门时间）短（长）几个数量级。所有这三个弛豫过程都受到（i）电子-声子相互作用的非平凡谷结构和（ii）所涉及的电子态的不同谷组成的推动。
2016-02-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-Valley Qubit Dynamics In Exchange Coupled Silicon Quantum Dots
谷态的存在是在硅量子点中实现量子信息技术的一个重大障碍，因为泄漏到交替的谷态中会将误差引入计算。我们用微扰分析方法研究了具有谷自由度的交换耦合量子点的动力学。我们发现，如果谷分裂是大的，电子没有被适当地初始化到谷本征态，那么系统的时间演化将导致自旋谷纠缠。如果谷分裂很小，电子没有初始化到相同的谷态，也会发生自旋谷纠缠。此外，我们还发现，对于小的谷分裂，自旋谷纠缠不影响两个量子比特系统的测量概率;然而，具有更多量子比特的系统将受到影响。这意味着在双量子比特系统中测量的双量子比特门的量子数可能会错过谷自由度的影响。我们的工作表明，即使在系统温度很低的情况下，谷的存在也可能对多量子比特的量子性产生不利影响。
2021-06-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Realizable time crystal of four silicon quantum dot qubits
本文提出在硅量子点自旋量子比特中实现离散时间晶体，利用电荷噪声作为优势，证明四比特链即可展现丰富的时间晶体与Floquet对称保护拓扑区域，且DTC寿命随链长指数增长。
2023-04-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
The remarkable prospect for quantum-dot-coupled tin qubits in silicon
硅半导体中的自旋- $\frac{1}{2}$ $^{119}$ Sn核可以制造优异的量子比特。已知硅中的核自旋具有长的相干时间。锡与硅是等电子的，因此我们预计电子可以很容易地从一个锡原子穿梭到另一个锡原子，通过超精细相互作用传播量子信息，我们预测，从全电子线性增广平面波密度泛函理论计算，大约比本征$^{29}$ Si大十倍。一个超精细诱导的电-核控制相（e-n-CPhase）门操作，产生（本地旋转）仅举行一个电子在最大超精细强度的最佳点的特定持续时间，预计是异常弹性的电荷/电压噪声。非绝热自旋翻转用适度的磁场抑制（对于$<10^{-6}$翻转概率为$>15~$ mT），并且核自旋浴噪声可以通过同位素富集来避免或使用动态解耦或通过监测和补偿来减轻。结合磁共振控制，这种操作可以实现通用量子计算。
2022-06-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Two Qubit Logic Gate in Silicon
量子计算需要可以以可扩展的方式耦合和实现的量子位，以及通用和高保真的一量子位和二量子位逻辑门\cite{DiVincenzo2000, Loss1998}。在几个领域的努力已经导致了一系列令人印象深刻的量子比特实现，包括捕获离子\cite{Brown2011}，超导电路\cite{Barends2014}，单光子\cite{Kok2007}，金刚石\cite{Waldherr2014, Dolde2014}和硅\cite{Muhonen2014}中的单缺陷或原子，以及半导体量子点\cite{Veldhorst2014}，所有这些都具有超过容错量子计算\cite{Fowler2012}所需的严格阈值的单量子比特纯度。尽管如此，可以使用标准光刻技术制造的固态高保真双量子位门迄今为止仅限于超导量子位\cite{Barends2014}，因为半导体系统在耦合量子位和失相\cite{Nowack2011, Brunner2011, Shulman2012}方面存在困难。在这里，我们表明，这些问题可以完全消除使用单自旋同位素富集硅\cite{Itoh2014}通过演示单和两个量子位操作的量子点系统中使用的交换相互作用，如在原来的损失-Diquenzo建议\cite{Loss1998}。我们通过控制旋转（CROT）或控制相位（CZ）操作结合单量子位操作实现CNOT门。直接栅极电压控制提供单量子位…
2014-11-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Demonstration of quantum error detection in a silicon quantum processor
本文在含四核自旋量子比特与一电子辅助量子比特的施主硅处理器上，利用稳定子电路实现任意单量子比特错误检测，并通过PFU恢复Bell态纠缠、识别强偏置噪声。
2025-09-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Shuttling a single charge across a one-dimensional array of silicon quantum dots
硅自旋量子比特的容错操作已经取得了重大进展，单量子比特的正确率超过99.9%，基于交换耦合的双量子比特门的几个演示，以及相干单自旋光子耦合的实现。在量子寄存器中耦合任意对空间分离的量子位构成了重大挑战，因为大多数量子位系统被限制为具有最近邻连接的二维（2D）。对于硅中的自旋，应该开发新的量子态转移方法以实现超越最近邻交换的连接。在这里，我们展示了一个单一的电子穿梭在线性阵列的9个串联耦合的硅量子点在~50 ns通过一系列成对的点间电荷转移。通过逐步构建更复杂的脉冲序列，我们通过9点阵列一次执行2和3个电子的并行穿梭。这些实验证实了单电子的物理输运在大型硅量子点阵列中是可行的。
2018-09-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
$^{29}$Si nuclear spins as a resource for donor spin qubits in silicon
固态系统中电子自旋附近的核自旋寄存器为解决量子体系结构中可扩展性的挑战提供了强大的资源。我们在这里调查的$^{29}$硅核自旋周围的施主原子在硅的属性，并考虑使用这样的自旋，结合施主核自旋，作为量子寄存器耦合到施主电子自旋。我们发现附近的$^{29}$硅核自旋的相干性有效地保护了施主电子自旋的存在，导致相干时间在第二个时间尺度-超过两个数量级大于体硅的相干时间。我们从理论上研究了使用这样的寄存器进行量子纠错，包括保护核自旋免受施主电离/中和的方法，这对于辅助量子比特的重新初始化是必要的。这为使用硅中的施主进行多轮量子纠错提供了途径。
2015-05-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scaling of silicon spin qubits under correlated noise
RIKEN（理化学研究所）；Slovak Academy of Sciences, Institute of Physics（斯洛伐克科学院物理研究所）；QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学量子技术与纳米科学卡弗里研究所）；University of Basel（巴塞尔大学）
研究硅自旋量子比特在扩展中的噪声相关性，发现磁漂移和电荷噪声对量子纠错的影响，提出缓解策略以提升容错性能。
2026-03-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Universal quantum logic in hot silicon qubits
量子计算需要许多量子比特，这些量子比特可以被相干控制并相互耦合。使用光刻技术定义的量子位通常被认为是有前途的可扩展性平台，因为它们可以使用半导体制造技术实现。然而，领先的固态方法仅在低于100 mK的温度下起作用，其中冷却能力极其有限，这严重影响了实际量子计算的前景。最近对硅中自旋的研究表明，通过展示长自旋寿命、基于门的自旋读出和相干单自旋控制，可以在更高温度下操作的平台已经迈出了一步，但关键的两个量子位逻辑门一直缺失。在这里，我们证明了硅量子点可以具有足够的热鲁棒性，以实现高于1开尔文的通用门设置的执行。我们通过电子自旋共振（ESR）和泡利自旋封锁读出获得单量子比特控制。我们展示了两个量子比特的单独相干控制，并测量了高达99.3%的单量子比特的相干性。我们展示了从0.5到18 MHz的两个自旋之间的交换相互作用的可调谐性，并使用它来执行相干双量子比特控制旋转（CROT）。在半导体平台上演示“热”和通用量子逻辑为量子集成电路铺平了道路，量子集成电路将量子硬件及其控制电路全部托管在同一芯片上，为实用量子信息提供了可扩展的方法。
2019-10-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
