主要gydF4y2Ba

道路上topractical大规模量子计算,电子自旋量子比特在半导体量子点gydF4y2Ba12gydF4y2Ba有成功的希望,这是由于其固有的潜在的扩展通过他们的体积小gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,长寿的一致性gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba和与先进的半导体制造技术的兼容性gydF4y2Ba15gydF4y2Ba。然而,自旋量子比特目前落后在超导规模相比,离子被困和光子平台,展示了几十个量子位的控制gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba。相比之下,使用半导体自旋量子比特,部分gydF4y2Ba19gydF4y2Ba和普遍gydF4y2Ba11gydF4y2Ba实现控制的四个量子位和纠缠的三个量子比特量化gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba。six-dot线性阵列,两个量子位编码的三个旋转操作gydF4y2Ba21gydF4y2Ba和自旋交换振荡已报告在一个3×3数组gydF4y2Ba22gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

此外,与其他量子位平台的经验表明,在扩大,维护的质量控制需要实质性的努力,特别是,例如,处理捕获离子的密度动态频谱gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,在超导电路,避免串扰gydF4y2Ba24gydF4y2Ba或避免损失增加光子电路gydF4y2Ba25gydF4y2Ba。对于小型半导体自旋量子位系统,先进的single-qubit门形式超过99.9%gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba和two-qubit盖茨富达最近展示了远高于99%gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba。大多数quantum-dot-based示威遭受低初始化或读出形式,具有典型的可见性的不超过60 - 75%,只有几个最近的异常gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba。相反,高保真旋转读出一直宣称的基础上读出错误的分析机制,但这些说法并没有验证结合高保真量子位的控制gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba。虽然高保真的初始化,读出,single-qubit盖茨和two-qubit盖茨因此被证明单独在小系统,几乎总是一个或多个参数明显受损而优化。该领域的主要挑战和重要方向因此为所有组件实现高形式,同时扩大量子位计数。gydF4y2Ba

这里我们研究一个系统的六个自旋量子比特在一个线性量子点阵列和测试的性能可以通过使用已知的方法,如多层门独立控制two-qubit交流互动的模式gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba和电偶极子自旋共振micromagnet梯度(EDSR)和选择性量子位寻址gydF4y2Ba34gydF4y2Ba。此外,我们引入了一些新的技术半导体量子比特,总的来说,至关重要的改善结果,帮助促进可伸缩性、初始化等测量使用实时反馈gydF4y2Ba35gydF4y2Ba水库,量子位的初始化和测量没有访问和有效的校准程序。跨越整个six-qubit数组初始化和读出电路。我们描述的质量控制准备最大纠缠态的两个和三个旋转整个数组。gydF4y2Ba

six-qubit数组定义的静电gydF4y2Ba28gydF4y2Ba如果量子阱gydF4y2Ba28gydF4y2Ba硅/锗硅异质结构,两个传感量子点,见图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。电荷的多层模式使优秀的控制门占领每个量子点和邻国之间的通道耦合量子点。这些参数控制独立通过栅极电压的线性组合,称为虚拟盖茨gydF4y2Ba36gydF4y2Ba。interdot距为90海里,这为30-nm-deep量子井产量容易获得政权的一个电子在每一个点,表示为短(1,1,1,1,1,1)占领。低谷分裂硅/锗硅设备过去阻碍了进步gydF4y2Ba37gydF4y2Ba设备,但在这个山谷剥片都在100 - 300的范围μeV (gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

图1:设备初始化、测量和校准。gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba,一个伪彩色扫描电子显微镜图像的设备类似于一个用于实验。每种颜色代表一个不同的金属化层。柱塞(P,蓝色)和屏障(B,绿色)盖茨用于定义量子点之间的通道筛选盖茨(红色)和传感点(SD1和SD2)。两个钴micromagnets(黄色)放置在门堆栈的顶部。gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba、建筑块用于读出(读)和初始化(init)在这个实验中,显示电路用于执行一个量子位QND测量第三季(gydF4y2BabgydF4y2Ba)和电路用于测量旋转和初始化使用奇偶校验测量(gydF4y2BacgydF4y2Ba)。双行图中表明gydF4y2BaXgydF4y2Ba180年gydF4y2Ba旋转是有条件的测量结果。gydF4y2BadgydF4y2Ba的一个例子,CROT用来初始化量子位。所示的序列应用多次与短时间间隔,一个周期的最终状态的初始状态。(1)显示了偶同位的概率第一测量;(2)显示了即使平价位翻转后概率条件第一测量结果。gydF4y2BaegydF4y2Ba,示意图显示的总计划用于初始化和读出所有六个量子位,gydF4y2BaU,gydF4y2Ba酉矩阵的操作阶段(见扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba对于一个扩展视图)。gydF4y2BafgydF4y2Ba、校准图用于实验。右边的数字显示的数量在每一步参数校准。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

量子位测量方案设计,我们专注于实现短测量周期结合高保真读出,这加速测试的所有其他方面的实验。测量外量子位对,我们用泡利自旋封锁(公安局)调查的平价两个旋转(而不是区分单线态和三线态状态),利用T的事实gydF4y2Ba0gydF4y2Ba三联体放松的单线态的结束前10μs读出窗口。我们调整外点对的数组(3,1)电子职业,在读出窗口大于(1,1)政权(扩展数据图。1)。作为传感点不太敏感的电荷中心之间的过渡点,中间量子位衡量quantum-non-demolition (QND)测量地图量子位的Q3 (Q4)量子位Q2 (Q5)通过有条件的旋转(CROT)(无花果。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba)gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba。这样,每次迭代的实验中,4位的信息检索,取决于所有6个物理量子位的状态。迭代操作许可的完整读出six-qubit系统。gydF4y2Ba

量子位的初始化是基于测量的自旋状态数组之后,实时反馈将所有量子位的目标初始状态。这个方案的好处不依靠慢热化,不需要访问电子水库带来新鲜的电子,这是有利于扩展到更大的数组。事实上,我们的实验运行超过一个月的电子连续呆在数组。量子位的第三和第四季度,实时反馈只是由翻转量子位如果返回的测量gydF4y2Ba\(\ \)范围内左右| \向上光标键\ \捕杀gydF4y2Ba。初始化的量子位Q1和Q2(或Q5和Q6)使用奇偶校验测量和实时反馈见图。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba。首先,假设量子比特从一个随机的状态,我们执行一个奇偶校验测量,将导致国家崩溃甚至(gydF4y2Ba\(左| \ \ downarrow \ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\向上光标键\ \纠正\)gydF4y2Ba)或奇怪的(gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba/gydF4y2Ba\(左| \ \ downarrow \向上光标键\ \纠正\)gydF4y2Ba)平价(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)。测量后,gydF4y2BaπgydF4y2Ba脉冲应用于量子位Q1偶同位,把国家奇宇称(反馈延迟660 ns)。随后,我们进行第二次测量,奇校验状态的转换gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba。具体来说,当脉冲读出操作点,gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\(左| \ \ downarrow \向上光标键\ \纠正\)gydF4y2Ba放松的单重态((4 0)负责职业)。当脉冲绝热地从(4 0)到(3,1)负责配置,映射到单线态gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba状态。如果量子位初始化成功,第二个测量应该返回一个奇宇称(通常在95%左右的成功率)。进一步提高初始化富达我们使用第二个测量postselect成功实验的结果(扩展数据图。gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba)。图gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba显示初始化前两个量子位元的测量。第一读出结果(蓝色)显示了微波炉的拉比振荡控制变量时间应用前一周期的结束(见附近gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba更多的细节)。第二个读出结果(绿色)显示了状态实时古典后反馈的步骤。振荡在很大程度上已经消失了,这表明成功初始化测量和反馈。gydF4y2Ba

序列来初始化和测量所有量子位图所示。gydF4y2Ba1 egydF4y2Ba(见扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba展开量子电路)。我们按顺序初始化量子位对Q5 Q6,然后量子位第四季度,然后Q1和Q2量子位,最后量子位Q3,使用上述步骤(密实度,步骤是同时出现在图)。为了进一步提高测量和初始化形式,我们重复QND测量三次,交替的顺序量子位第三和第四季度进行测量。我们与三个相同的QND读出postselect运行结果(除了在初始化和测量步骤图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba下面,读出简单使用多数投票)。在图中描述执行完整的初始化过程。gydF4y2Ba1 egydF4y2Ba,six-qubit数组初始化的状态gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ downarrow \ downarrow \ downarrow \向上光标键\ \纠正\)gydF4y2Ba。下面的所有测量,我们初始化两个,三个或六个量子位,取决于特定量子电路的要求我们打算运行。我们离开未使用的量子比特随机初始化,初始化时的可见性减少所有六个量子位元在一个序列(扩展数据图。gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba)。当个别量子位元操作,初始化和测量过程产生(图93.5 - -98.0%的可见性。gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba)。把这些数字的角度来看,如果都读出错误gydF4y2Ba\(\ \)范围内左右| 0 \ \捕杀gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\(\ \)范围内左右| 1 \ \捕杀gydF4y2Ba1%与1%的初始化错误,能见度将为96%。gydF4y2Ba

图2:Single-qubit门表征。gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba按顺序,每个量子位,拉比振荡。自旋部分指的是向上分数量子比特Q2-Q5和向下的分数量子位Q1和Q6。驱动振幅调整为了获得均匀拉比频率的5 MHz。gydF4y2BabgydF4y2Ba每六个量子位,量子位的频率。gydF4y2BacgydF4y2Ba每个量子位,拉比频率作为应用微波功率的函数。gydF4y2BadgydF4y2Ba为每个量子位,随机基准测试结果,使用5 MHz拉比频率。忠诚是报道平均single-qubit门忠诚,和不确定性(2gydF4y2BaσgydF4y2Ba)计算使用的协方差矩阵。gydF4y2BaegydF4y2Ba、表显示零相位化时间gydF4y2BaTgydF4y2Ba2gydF4y2Ba*,哈恩回波衰减时间(gydF4y2BaTgydF4y2Ba2gydF4y2BahgydF4y2Ba)和可见性为每个量子位(粘度)。gydF4y2Ba

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我们通过EDSR操纵量子比特gydF4y2Ba39gydF4y2Ba。一个micromagnet门上方的堆栈是旨在提供两个量子位可寻址能力和驾驶场梯度(图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba)。我们可以单独解决每个量子位,连贯的拉比振荡为图中所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。我们观察到不可见的阻尼在前五个时期。图中的数据。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba表明量子位频率不间隔的线性,偏离我们的预测基于数值模拟的磁场梯度(补充图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。然而,最小的量子位频率间隔大约20 MHz是充分的选择性量子位解决与我们的运营速度不同2和5 MHz。拉比频率是线性驱动振幅在实验中使用的典型的微波功率范围(无花果。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba)。我们操作顺序single-qubit盖茨,确保我们呆在这个线性政权和保持校准简单。同时旋转将涉及额外的串扰特性和补偿效果(参见扩展数据图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)。我们分别描述每个量子位的single-qubit属性。图gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba显示随机基准测试实验的结果。所有平均single-qubit门形式之间99.77±0.04%和99.96±0.01%,这表明,即使在这个扩展量子位数组,我们保留高保真single-qubit控制。每个量子位的相干时间列表在无花果。gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba。我们期望自旋相干受限于费用由micromagnet噪声耦合gydF4y2Ba40gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

Two-qubit盖茨由脉冲实现相邻点之间的门(虚拟)障碍而呆在对称点。脉冲屏障门导致ZZ交互(,gydF4y2BaXgydF4y2Ba,gydF4y2BaYgydF4y2Ba和gydF4y2BaZgydF4y2Ba泡利操作员站,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba的身份和gydF4y2BaZZgydF4y2Ba两个泡利的张量积速记吗gydF4y2BaZgydF4y2Ba运营商,等等),考虑到触发器的作用的自旋交换相互作用是抑制因为量子位分裂的区别gydF4y2Ba41gydF4y2Ba。量子电路在无花果。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba措施下的时间演化gydF4y2BaZZgydF4y2Ba组件的哈密顿,single-qubitgydF4y2BaπgydF4y2Ba脉冲在两个交流脉冲之间的解耦gydF4y2Ba工业区gydF4y2Ba/gydF4y2Ba子gydF4y2Ba条款gydF4y2Ba42gydF4y2Ba。测量信号的振荡频率gydF4y2BaJgydF4y2Ba/ 2(图。gydF4y2Ba3 b-fgydF4y2Ba)作为屏障门脉冲持续时间的函数,对应于控制阶段(CPhase)进化。当脉冲只有目标之间的障碍门量子位,所需的开/关的比率gydF4y2BaJgydF4y2BaijgydF4y2Ba(> 100)可能无法实现。我们解决这个问题,在不牺牲在对称点操作,通过使用一个虚拟的线性组合屏障盖茨(vB1-vB6)。具体地说,量子点对目标周围的障碍盖茨脉冲消极推动相应的电子更紧密的结合在一起,从而增强交流互动(扩展数据表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。指数的关系gydF4y2BaJgydF4y2BaijgydF4y2Ba在虚拟屏障盖茨在无花果。gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba。在无花果。gydF4y2Ba3 ggydF4y2Ba我们调查剩余的闲置量子位对交换,当一个量子位对脉冲操作范围内最大的交换价值。结果显示微小残留交换其他双之间的振幅在关闭状态。gydF4y2Ba

图3:Two-qubit门表征。gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba,量子电路用于测量CPhase一双量子位之间的振荡。gydF4y2BabgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba,测量旋转概率的函数总进化时间2gydF4y2BatgydF4y2Ba邻近的量子位对q1 (gydF4y2BabgydF4y2Ba),Q2-Q3 (gydF4y2BacgydF4y2Ba),Q3-Q4 (gydF4y2BadgydF4y2Ba),Q4-Q5 (gydF4y2BaegydF4y2Ba)和Q5-Q6 (gydF4y2BafgydF4y2Ba)对不同虚拟势垒栅电压(0和1对应的交易关闭和最大值)。gydF4y2BaggydF4y2Ba为每个量子位对,最大的交换耦合测量,和相应的剩余其他双交换耦合,实现在AWG脉冲范围内没有重调的静态电压门。底下一行:gydF4y2BaJgydF4y2BaijgydF4y2Ba与所有交换耦合关闭(见gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba误差线)。gydF4y2BahgydF4y2Ba交换耦合与虚拟所有量子位双势垒栅电压。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba示意图显示,能量水平没有(左)和存在(中间,右)的有效的伊辛gydF4y2BaZZgydF4y2Ba互动交流下(见文本)。由于gydF4y2BaZZgydF4y2Ba耦合项,反平行的自旋状态是降低能源,并接一个额外的阶段作为时间的函数,导致CPhase进化。移位的能级也使条件microwave-driven旋转(CROT),我们使用在初始化期间和读出。gydF4y2BajgydF4y2Ba,交换的脉冲波形振幅在栅电压脉冲用于CZ门口,和相应的脉冲波形转换成栅电压。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

通过合适的时机,我们使用CPhase演化来实现控制gydF4y2BaZgydF4y2Ba(CZ)门。图gydF4y2Ba3 jgydF4y2Ba显示了脉冲波形,用于确保整个CZ门高度的绝热性gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。我们使用一个波形图基窗口,斜坡的时候gydF4y2Ba\({\τ}_ {{\ rm{坡道}}}= \压裂{3}{\√6δ{B} {\ ^ {2} + {J} _{\马克斯}^ {2}}}\)gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba43gydF4y2Ba)。这个脉冲波形中定义单位的能量,我们将它转换成障碍电压使用测量电压的能量交换关系gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

当操作大量子处理器的一个挑战是跟踪和补偿任何动力操作以确保高保真量子位的变化参数,初始化和读出。另一个挑战是跟踪和补偿串扰效应的单和two-qubit盖茨在每个量子位的进化阶段。我们执行自动校准,如无花果所示。gydF4y2Ba1 fgydF4y2Ba,总共108和正确的参数。每个校准程序的详细描述包含在方法和扩展数据图。gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba。每周两次,我们运行完整的校准计划,大约需要一个小时。每天早上,我们运行校准计划离开的相位修正single-qubit操作的依赖gydF4y2BaJgydF4y2BaijgydF4y2Ba在虚拟屏障盖茨vBgydF4y2BaijgydF4y2Ba。有时,具体的校准,特别是量子位频率和读出坐标,重新运行一整天,是必要的。补充图。gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba情节的发展为许多量子位参数校准值的一个月。gydF4y2Ba

建立了单和two-qubit控制整个six-qubit数组,我们继续创建和量化成对纠缠在量子点阵列的测量量子位的质量控制(无花果。gydF4y2Ba4 a egydF4y2Ba)。这些实验受益于高水平的抽象的测量软件,允许我们灵活项目各种量子电路作用于任何量子位,利用108年的表校准参数保存在后台更新和详细的波形来实现高保真盖茨。外的平价读出量子收益率本机gydF4y2BaZZgydF4y2Ba测量操作符。我们测量single-qubit预期值的映射gydF4y2BaZZgydF4y2Ba操作符,gydF4y2Ba子gydF4y2Ba/gydF4y2Ba工业区gydF4y2Ba运营商,如无花果所示。gydF4y2Ba4 ggydF4y2Ba。这允许密度矩阵的完全重建。忠诚是计算使用gydF4y2Ba\ (F = \ \ langle \ psi \左右左| | \ρ\ \ psi \ \纠正\)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaψgydF4y2Ba目标状态和吗gydF4y2BaρgydF4y2Ba是测量密度矩阵。目标最大限度地纠缠贝尔状态。获得密度矩阵测量six-dot数组各地国家忠诚从88%到96%不等,这是大大高于贝尔国家形式的78%到89%(所有国家准备和测量(垃圾邮件)纠正,明白了gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)报道two-qubit量子点设备仅仅几年前gydF4y2Ba42gydF4y2Ba,gydF4y2Ba44gydF4y2Ba,gydF4y2Ba45gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图4:贝尔断层。gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2Ba量子比特q1,测量two-qubit密度矩阵(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba),Q2-Q3 (gydF4y2BabgydF4y2Ba),Q3-Q4 (gydF4y2BacgydF4y2Ba),Q4-Q5 (gydF4y2BadgydF4y2Ba)和Q5-Q6 (gydF4y2BaegydF4y2Ba(见后),删除垃圾邮件错误gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba未修正的密度矩阵)。贝尔的目标状态和概述了线框表示。gydF4y2BafgydF4y2Ba,色轮的密度矩阵的相位信息gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2Ba。gydF4y2BaggydF4y2Ba、量子电路用于转换平价读出(gydF4y2BaZZgydF4y2Ba)有效single-qubit读出(gydF4y2Ba工业区gydF4y2Ba和gydF4y2Ba子gydF4y2Ba)。gydF4y2BahgydF4y2Ba、国家形式的测量密度矩阵对目标贝尔状态和测量密度矩阵的赞成。误差(2gydF4y2BaσgydF4y2Ba)是来自蒙特卡洛引导重采样gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba44gydF4y2Ba,gydF4y2Ba59gydF4y2Ba。国家形式没有读出错误删除:量子位q1, 88.2%;Q2-Q3, 83.8%;Q3-Q4, 78.0%;Q4-Q5, 91.3%;Q5-Q6, 91.3%。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

最后描述量子位控制整个数组,我们准备Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ),这是最微妙的三个量子比特的纠缠态gydF4y2Ba46gydF4y2Ba,gydF4y2Ba47gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示了量子电路我们用来准备GHZ态。完整的电路,包括初始化和测量,包含14 CROT操作,2 CZ操作,42平价测量,16 single-qubit旋转条件实时反馈和5 single-qubitgydF4y2BaXgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba旋转(扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。量子态的测量运营商断层以类似的方式生成的钟。为了重建3量子位密度矩阵,我们执行测量在26个(量子位Q2-Q3-Q4和Q3-Q4-Q5)或44(量子位Q1-Q2-Q3和Q4-Q5-Q6)不同基础和重复每组收集统计信息的2000倍。组成的一个完整的数据集52000(88000)单发重复大约需要5分钟获得,由于有效的上传波形的波形发生器(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)和单发周期短的时刻。图gydF4y2Ba5中gydF4y2Ba显示了量子比特Q1-Q2-Q3测量密度矩阵,Q2-Q3-Q4, Q3-Q4-Q5 Q4-Q5-Q6。获得国家形式从71%到84%不等(见gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba简要讨论的零相位化影响加热)。相比较而言,记录GHZ状态富达近日报道三量子点自旋量子位系统是88% (ref。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。从参考相同的数据集。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba分析没有读出调整收益率45.8%的忠诚,而我们的结果没有读出错误切除范围从52.8%到67.2% (gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba)。减少状态形式相比two-qubit情况(尤其是涉及到量子比特第三和第四季度)主要是由于增加了垃圾邮件错误。从相同的数据集,我们计算纠缠证人,清楚地展示3量子位纠缠(gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

图5:3量子位GHZ断层。gydF4y2Ba
图5gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba线路图用来准备GHZ态。的gydF4y2BaUgydF4y2Ba地图gydF4y2Ba操作所执行的统一,以防我们测量gydF4y2Ba工业区gydF4y2Ba或gydF4y2Ba子gydF4y2Ba预测量子位q1和Q5-Q6,类似于贝尔实验状态。gydF4y2BabgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaegydF4y2Ba、密度矩阵的准备使用量子比特Q1-Q2-Q3 GHZ态(gydF4y2BabgydF4y2Ba),Q2-Q3-Q4 (gydF4y2BacgydF4y2Ba),Q3-Q4-Q5 (gydF4y2BadgydF4y2Ba)和Q4-Q5-Q6 (gydF4y2BaegydF4y2Ba),获得用量子态断层扫描,之后删除垃圾邮件的错误(见gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba未修正的密度矩阵)。黑色线框对应的理想GHZ态。gydF4y2BafgydF4y2Ba,色轮的密度矩阵的相位信息gydF4y2BadgydF4y2Ba和gydF4y2BaegydF4y2Ba。gydF4y2BaggydF4y2Ba、表显示国家形式和纠缠见证值不同的量子位集。我们选择gydF4y2BaϕgydF4y2Ba在gydF4y2Ba\(左\ | {\ psi} _ {{\ rm {GHZ}}} \右\捕杀=(\ | 000 \ \捕杀+ {{\ rm {e}}} ^ {{\ rm{我}}\ varphi} \左| 111 \ \捕杀)大概{2}\ \)gydF4y2Ba关于忠诚的最高状态。国家形式没有垃圾邮件删除:量子位Q1-Q2-Q3, 64.3%;Q2-Q3-Q4, 52.8%;Q3-Q4-Q5, 52.7%;Q4-Q5-Q6, 67.2%。gydF4y2Ba

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六个量子位的通用控制的演示gydF4y2Ba28gydF4y2Ba硅/锗硅量子点阵列提出了多种方式。虽然规模创纪录数量的量子位的量子点系统中,我们为每个量子位实现拉比振荡可见性为93.5 -98.0%,暗示高读出和初始化形式。初始化使用新方案依靠量子位测量和实时反馈。读出依靠公安局和QND测量。这种组合的初始化和读出允许操作设备,同时保留的6个电子线性量子点阵列,减轻访问电子水库的必要性。single-qubit门形式都是99.9%左右的高质量two-qubit盖茨可以推断出从89 - 95%忠诚贝尔州准备整个数组。模块化的软件堆栈的发展,有效的校准程序和可靠设备制造已经对于这个实验。未来的工作必须专注于理解和减少加热效应导致频率变化和减少零相位化时代,当我们发现这是限制因素在许多量子位在执行复杂的量子电路。使用同步single-qubit旋转和同时two-qubit CZ盖茨将脉冲序列更紧凑,代价是额外的校准。这将需要占串扰的影响,我们预计将简单two-qubit盖茨。 We estimate that the concepts used here for control, initialization and readout can be used without substantial modification in arrays that are twice as long, as well as in small two-dimensional arrays (补充信息gydF4y2Ba)。进一步扩展将需要额外的元素,如横杆寻址控制密集的二维数组gydF4y2Ba48gydF4y2Ba,gydF4y2Ba49gydF4y2Ba和芯片级量子连接本地链接量子寄存器在一起gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,gydF4y2Ba51gydF4y2Ba,gydF4y2Ba52gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

方法gydF4y2Ba

设备制造gydF4y2Ba

设备组装在一个纯的gydF4y2Ba28gydF4y2Ba硅/锗硅异质结构包括一个8海里紧张gydF4y2Ba28gydF4y2Ba如果量子阱,残留gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba如果浓度为0.08%,生长在strain-relaxed SigydF4y2Ba0.7gydF4y2Ba通用电气gydF4y2Ba0.3gydF4y2Ba缓冲层。量子阱是分开30 nm厚的硅表面gydF4y2Ba0.7gydF4y2Ba通用电气gydF4y2Ba0.3gydF4y2Ba垫片和牺牲1纳米硅覆盖层。门堆栈包含三层Ti: Pd金属盖茨(3:17,若和27海里)从彼此孤立5海里gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3 gydF4y2Ba电介质,使用原子层淀积沉积。铁磁Ti:有限公司(5:200海里)层门的顶部堆栈上创建一个本地磁场梯度量子位寻址和操纵。铁磁层门层10 nm的孤立gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3 gydF4y2Ba介质。钴层不覆盖介质。设备制造方法的更多细节可以在裁判。gydF4y2Ba33gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

制造之后,所有的设备都是筛选4 K。我们检查当前的泄漏,积累在盖茨和设备稳定性(例如,漂浮在当前)。最好的设备选择(如果它符合我们的要求)和冷却稀释冰箱。设备的一部分,通过这些4 K检查变化从0到50%每批(一批包含12或24设备)。gydF4y2Ba

微波相声和同步状态gydF4y2Ba

在无花果。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,选择single-qubit盖茨在5 MHz拉比频率和single-qubit随机基准测试结果都在这个频率。当操作所有量子比特在相同的序列,我们无法在一个5 MHz拉比频率量子位Q2 (Q3)和Q5 (Q4)彼此太接近的频率。我们使用了同步条件gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,gydF4y2Ba54gydF4y2Ba拉比频率选择single-qubit盖茨的量子位,遭受相声不接受净旋转而目标量子位旋转90度或其倍数(扩展数据图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)。拉比频率为国家断层扫描实验如下(量子位Q1-Q6): 4.6 MHz, 1.9 MHz, 4.2 MHz, 3.6 MHz, 2.4兆赫和5 MHz。gydF4y2Ba

自动校准程序gydF4y2Ba

校准操作multi-qubit设备中一个重要部分。图gydF4y2Ba1 fgydF4y2Ba列出了必要的校准类型需要定期修正和扩展数据图。gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba显示了一个示例为每个参数类型校准。每个校准使用一个自动化的脚本提取测量参数的最优值,这是记录在数据库中。在我们的框架中,运营商选择接受这个值或重新标定。gydF4y2Ba

传感点(5 s)gydF4y2Ba

校准的校准程序开始传感点(扩展数据图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)最敏感的操作点平价模式公安局读出。我们扫描(虚拟)柱塞电压传感点的两种不同配置相应的二阶导数,单线态和三线态对应的状态。配置之一(3,1)地区和其他(4 0)地区,为了对小飘门电压。校准返回的柱塞电压传感信号点之间最大的区别是获得这两种情况(扩展数据图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。从这种差异,我们也设置阈值同步解调技术(I)和正交(Q)信号(简而言之,IQ信号)的无线电频率(RF)调制读出,允许单线态和三线态分化(IQ信号被转换为一个标量通过调整阶段的信号)。阈值选择介于两个电荷信号配置。在操纵量子位,传感点保存在库仑封锁。只有脉冲读出配置时执行读出。gydF4y2Ba

读出点(35)gydF4y2Ba

平价模式公安局读出被找到的最佳电压校准附近的柱塞盖茨anticrossing读出。读出点只沿着一个轴校准(或vP5 vP1),为简单起见,公安局读出的性能在任何位置沿anticrossing相似。在校准扩展数据图所示。gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba,我们初始化一个单线态(gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba)或三联体(gydF4y2Ba\(左| \ \ downarrow \ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba,使用single-qubit门)州和扫描柱塞门口找到最佳读出点。gydF4y2Ba

共振频率的量子位Q1、Q2 Q5和Q6(粗糙)(17)gydF4y2Ba

我们执行一个共振频率的扫描量子位Q1, Q2, Q5和Q6(扩展数据图。gydF4y2Ba4摄氏度gydF4y2Ba)在以前保存的值。我们符合拉比的公式gydF4y2Ba

$ $ {P} _{年代}(t) = \压裂{{\ varOmega} ^ {2}} {{\ varOmega} ^ {2} + {\ varDelta} ^{2}}{\罪}^{2}\离开(\压裂{\√6 {{\ varOmega} ^ {2} + {\ varDelta} ^ {2}}} {2} t \右)$ $gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba

实验数据和提取共振频率,在哪里gydF4y2BaPgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba(t)是自旋概率,Ω拉比频率,频率区别是Δ量子位的共振频率和应用微波的基调。gydF4y2Ba

QND读出:CROT恋人相遇,Q45共振频率(14)gydF4y2Ba

随后,我们校准量子位第三和第四季度的QND读出。执行QND读出,我们需要校准CROT门。我们选择使用一个旋转two-qubit门控制,因为它需要小校准(CPhase相比),因为我们可以忽略在读出阶段错误。gydF4y2Ba

我们将交换设置为10 - 20 MHz屏障门脉冲和扫描CROT驱动频率(扩展数据图。gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba)在以前保存的值。再一次,我们适合的拉比公式方程(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)提取最佳谐振频率。gydF4y2Ba

QND读出:CROT恋人相遇,Q45脉冲宽度(25)gydF4y2Ba

接下来,我们优化的最佳微波爆发时间CROT门,开车拉比振荡(扩展数据图。gydF4y2Ba4 egydF4y2Ba在交换耦合的存在)。我们适应衰减的正弦信号gydF4y2Ba

$ $ {P} _{年代}(t) = \压裂{一}{2}\罪(\ωt - {\ varphi} _ {0} {{\ rm {e}}} ^{- \压裂{t}{\τ}}+ B美元美元gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba

和提取CROT门的脉冲宽度。gydF4y2Ba

共振频率的量子位第三和第四季度(粗糙)(28)gydF4y2Ba

QND读出建立,我们扫描的驱动频率量子位第三和第四季度以类似的方式为我们做Q1, Q2, Q5 Q6(扩展数据图。gydF4y2Ba4 fgydF4y2Ba)。校准脚本将自动使用QND读出第三和第四季度进行校准,在公安局读出Q1、Q2, Q5 Q6。gydF4y2Ba

共振频率和振幅(好)(Q1、Q2, Q5 Q6 22 s→频率,振幅23 s;第三、第四季度32 s→频率,振幅34 s)gydF4y2Ba

我们更准确地校准量子位使用一个错误频率和驱动振幅放大序列(扩展数据图。gydF4y2Ba4 g hgydF4y2Ba),我们执行的地方gydF4y2BaXgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba门18倍,扫描频率或振幅的微波爆裂。我们符合数据使用的拉比公式方程(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)再次提取resonancy频率。微波爆裂的振幅由矢量的智商输入通道控制我们使用来源。校准的振幅gydF4y2BaXgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba旋转,我们不同振幅应用于智商输入和结果符合高斯函数,gydF4y2Ba

$ $ {P} _{年代}(x) = \α{{\ rm {e}}} ^{- \压裂{{(x - \μ)}^{2}}{2{\σ}^ {2}}}\ $ $gydF4y2Ba
(3)gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaxgydF4y2Ba智商是输入振幅的信号,gydF4y2BaµgydF4y2Ba是峰的中心(最优振幅)和gydF4y2BaσgydF4y2Ba峰宽。这个函数形式不是完全正确但它寻找一个最佳的振幅gydF4y2BaXgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba旋转。我们怀疑扩增序列给出更好的结果的时间越长,他们更像是用于随机的序列长度基准测试(包括一些“加热效应”)。gydF4y2Ba

在这些校准,我们只校准gydF4y2BaXgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba门。的gydF4y2BaYgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba门类似于实现gydF4y2BaXgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba,但相位发生了变化。gydF4y2BaZgydF4y2Ba盖茨在软件通过将参考系中执行。gydF4y2BaXgydF4y2Ba180年gydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba180年gydF4y2Ba旋转是由应用两个90度旋转。我们不能同时开两个或两个以上的量子位。gydF4y2Ba

XgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba阶段相声(Q1、Q2, Q5 Q6→27年代;第三、第四季度→45 s)gydF4y2Ba

任何single-qubit门导致其他量子位的拉莫尔频率略有变化,因为应用微波驱动。我们弥补这个通过应用虚拟gydF4y2BaZgydF4y2Ba旋转后每个量子位single-qubit大门已经完成。Ramsey-based序列用于校准所需的相位修正(扩展数据图。gydF4y2Ba4 gydF4y2Bai)和数据拟合方程gydF4y2Ba

$ $ {P} _{年代}(\ varphi) = - \压裂{一}{2}\ cos (\ varphi - {\ varphi} _ {0}) + B美元美元gydF4y2Ba
(4)gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba和gydF4y2BaBgydF4y2Ba拟合参数正确的有限的能见度旋转读出,gydF4y2BaϕgydF4y2Ba是应用虚拟Z在校准和旋转gydF4y2BaϕgydF4y2Ba0gydF4y2Ba是安装相位校正。一个单一的gydF4y2BaXgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba脉冲在一个量子位将传授阶段错误Q6量子位Q2。因此我们需要单独校准30种不同阶段因素,5为每个量子位。gydF4y2Ba

JgydF4y2BaijgydF4y2Ba和vBgydF4y2BaijgydF4y2Ba(量子位对Q12, Q56→146年代;量子位对Q23处,Q45→207年代;量子位对Q34→299年代)gydF4y2Ba

Two-qubit盖茨实现通过应用电压脉冲,增加隧道各自的量子点之间的耦合。使two-qubit盖茨,我们考虑以下元素:gydF4y2Ba

  • 交流的力量。我们在交换操作two-qubit盖茨的优势gydF4y2BaJgydF4y2Ba在gydF4y2Ba品质因数的振荡是最大的。发现这种情况gydF4y2BaJgydF4y2Ba在gydF4y2Ba≈5 MHz。gydF4y2Ba

  • Adiabacity条件。当塞曼能量差(ΔgydF4y2BaEgydF4y2BazgydF4y2Ba)和交换(gydF4y2BaJgydF4y2Ba(gydF4y2BatgydF4y2Ba)相同的数量级,必须注意保持整个CPhase门绝热性。我们通过应用Tukey-based脉冲,斜坡时间选择gydF4y2Ba\({\τ}_ {{\ rm{坡道}}}= \压裂{3}{\√6{\δE {} _ {{\ rm {z}}} ^ {2} + {J} _ {{\ rm{在}}}^ {2}}}\)gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba43gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

  • Single-qubit阶段转变。我们应用交流脉冲,量子比特将身体稍微流离失所。这将导致一个频移,从而积累阶段,需要纠正。gydF4y2Ba

为了满足这些条件,我们需要知道屏障电压和交流之间的关系强度。我们建立这个关系通过测量交换强度(图。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)过去25%的虚拟屏障脉动范围(gydF4y2BaJgydF4y2Ba> 1 MHz政权)。我们符合交易所指数和推断任何交换价值(扩展数据图。gydF4y2Ba4 jgydF4y2Ba)。这让我们产生绝热脉冲中描述的主要文本并选择目标交换价值。gydF4y2Ba

CZ持续时间(量子位对Q12, Q56→29年代;量子位对Q23处,Q45→34 s;量子位对Q34→45 s)gydF4y2Ba

门电压脉冲来实现CZ操作使用一个图基的形状gydF4y2BaJgydF4y2Ba通过反相关系gydF4y2BaJgydF4y2Ba(vBgydF4y2BaijgydF4y2Ba)。的最大价值gydF4y2BaJgydF4y2Ba被限制在gydF4y2BaJgydF4y2Ba在gydF4y2Ba。实际的最大价值gydF4y2BaJgydF4y2Ba使用和脉冲的长度然后确定下阶段获得的gydF4y2BaZZgydF4y2Ba进化。我们首先分析评估积累gydF4y2BaZZgydF4y2Ba进化这些参数的函数在π进化的目标gydF4y2BaZZgydF4y2Ba,然后通过实验调整实际的积累gydF4y2BaZZgydF4y2Ba进化通过执行拉姆齐与解耦电路CPhase进化两个π/ 2之间的旋转。这样的一个例子校准测量扩展数据图所示。gydF4y2Ba4 gydF4y2Bak。gydF4y2Ba

CZ阶段相声(Q1、Q2, Q5 Q6→< 30岁;第三、第四季度→< 50年代)gydF4y2Ba

交流脉冲后执行,single-qubit阶段必须纠正。我们正确的这些阶段在所有量子比特,two-qubit门是否参与。我们校准所需的修正阶段在一个非常相似的方式完成single-qubit门阶段修正。电路和测量的一个例子是在扩展数据图。gydF4y2Ba4 gydF4y2Bal, m。精确的校准运行时依赖于CZ脉冲宽度,可以随几秒钟取决于目标量子位。gydF4y2Ba

加热效果gydF4y2Ba

我们观察到一些影响,熊一个签名的加热实验。当微波应用于样品的EDSR线,几个量子位属性变化的数量取决于应用驱动功率和运用权力和没有权力的工作周期。这种效应在其他作品也被观察到gydF4y2Ba55gydF4y2Ba。我们报告我们的发现扩展数据图。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba和将讨论调整序列的实验来减少他们的影响。的主要加热效应是减少信噪比(信噪比)的传感点和一个量子位的共振频率和变化gydF4y2BaTgydF4y2Ba2gydF4y2Ba*gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在扩展数据图。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba模拟中,我们调查的影响微波应用于EDSR开车门,之后的信号传感点测量。我们观察到的变化背景信号和峰值信号(传感点的电化学势不受影响,不转移门峰值电压)。为背景信号多峰值信号上升,净信号降低。减少的幅度和持续时间取决于应用微波脉冲(扩展数据图。gydF4y2Ba6gydF4y2Bab)。最初的信噪比可以恢复通过引入微波脉冲后的等待时间。典型的时间表需要恢复的信噪比是100μs(扩展数据的顺序图。gydF4y2Ba6gydF4y2Bac, d)。我们添加了所有(随机基准)数据摘要等待100μs(500μs)操纵阶段之间取得良好的平衡后信噪比和实验持续时间。操作和读数之间的自旋弛豫是可以忽略不计,因为没有TgydF4y2Ba1gydF4y2Ba衰变的时间尺度上观察1毫秒内的测量精度。我们没有引入额外的等待时间后反馈/ CROT脉冲初始化/读出周期,随着权力执行这些脉冲没有限制了信噪比。gydF4y2Ba

扩展数据图gydF4y2Ba6gydF4y2Baf赋予更深刻的背景和峰值信号传感点的变化。传感点的阻抗是使用射频反射计测量。被测信号的背景取决于表面装配电感器的电感,电容对地gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba56gydF4y2Ba,gydF4y2Ba57gydF4y2Ba和RF的抵抗地面读出电路。扩展数据图gydF4y2Ba6gydF4y2Baf显示读出电路的响应在不同微波力量(功率是固定的)。频移(0.5兆赫)和减少质量因素是观察。这可以表明增加电容和读出电路的耗散。目前导致这种行为的微观机制是未知的。gydF4y2Ba

第二个效应是观察当看着量子位属性本身。扩展数据图gydF4y2Ba6gydF4y2Bae表明零相位化时间gydF4y2BaTgydF4y2Ba2gydF4y2Ba*gydF4y2Ba以拉姆齐实验和量子位频率改变的微波辐射。在实际的实验中,我们运用微波pre-pulse操纵阶段前的1 - 4μs量子位频率更可预测,尽管这付出的成本降低gydF4y2BaTgydF4y2Ba2gydF4y2Ba*gydF4y2Ba。pre-pulse可以应用在开始或结束时的脉冲序列,具有类似效果。这表明加热影响量子位频率持续时间比单发实验的总时间(大约600μs),这是不同于对传感信号点的影响。还量子位频移和背后的微观机制gydF4y2BaTgydF4y2Ba2gydF4y2Ba*gydF4y2Ba减少仍有待理解。gydF4y2Ba

奇偶校验模式公安局读出gydF4y2Ba

公安局读出方法用于自旋状态转换为更容易检测到充电状态gydF4y2Ba58gydF4y2Ba。几个因素需要考虑这种转换,使好的读出可见性。扩展数据图gydF4y2Ba1gydF4y2Baa、b显示了公安局的能级图读出执行(1)和(3,1)占领。图使用谷的能量gydF4y2BaEgydF4y2BavgydF4y2Ba65年μeV说明在可能出现问题的地方。当看着扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,我们可以观察到两个潜在的问题:gydF4y2Ba

  • 激动的谷州立gydF4y2Ba\(左| \ \ downarrow \ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba位于地面以下谷州立gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba。我们假设的图(2,0)单重态(gydF4y2Barm \左| {(\ \ {\ S;0}}\ \纠正\)gydF4y2Ba)耦合的(1,1)地面谷州立和山谷(1,1)兴奋状态。在这种情况下,初始化/读出脉冲期间,人口可以搬进谷州立的兴奋。这个问题可以解决在一个较低的磁场,这样gydF4y2BaEgydF4y2BavgydF4y2Ba>gydF4y2BaEgydF4y2BazgydF4y2Ba(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Bab)。gydF4y2Ba

  • 操作时(1,1)占领,读出窗口很小,大小是由谷能源和塞曼之间的差异。一个共同的方法来防止这个问题(3,1)电子操作的职业。gydF4y2Ba

措施到位,我们持续获得高可见性的拉比振荡(≥94%)每个设备上测试。gydF4y2Ba

在下面我们描述过程用于调整平价模式公安局。gydF4y2Ba

  • 找到一个合适的隧道(3,1)anticrossing率。的初始猜测一个好的隧道率可以发现使用视频模式调优。我们使用高速任意波形发生器记录电荷的框架稳定图(5μs平均每点,在一个完整的图像gydF4y2BatgydF4y2Ba图像gydF4y2Ba= 200 ms)。在帧的测量,我们改变隧道耦合,同时观察(3,1)↔(4 0)anticrossing直到扩展数据图中所示的模式。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba是观察到的。这幅图显示了根据(随机)初始状态,从(3,1)过渡到(4 0)发生在位置(i)或(ii)位置。这正是需要读出执行时需要发生。gydF4y2Ba

  • 找到读出点。我们停止点(1)固定在中心(3,1)职业(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Bac)。(2)是扫描的AWG沿着解谐轴扩展数据图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Bac。我们从点(1)点脉冲(2)和测量状态(斜坡时间约2μs),然后我们(1)脉冲回点。策划测定单线态概率时,情况之间的差距是一个单线态的情况准备,准备一个随机的自旋状态(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Bad)。这个地区的中心是一个很好的读出点。gydF4y2Ba

  • 优化读出参数。去谐的主要优化参数(gydF4y2BaϵgydF4y2Ba),隧道耦合(gydF4y2BatgydF4y2BacgydF4y2Ba)和斜坡时间向公安局斜坡地区。我们也独立校准的斜坡时间和隧道耦合读出区对量子比特的操作点。在对读出点增加时,是非常重要的绝热对隧道耦合。我们不需要绝热旋转,两个gydF4y2Ba\(左| \ \向上光标键\ downarrow \ \纠正\)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\(左| \ \ downarrow \向上光标键\ \纠正\)gydF4y2Ba放松快速单重态(速度比我们可以测量,在不到1 ns)。当脉冲从读出操作点,更要小心。当使用读出的斜坡,表现良好,我们注意,初始化一个混合态,因为我们不是绝热自旋。这可以通过脉冲解决隧道耦合启动前更大的值初始化斜坡(扩展数据图。gydF4y2Ba1gydF4y2Bag)。gydF4y2Ba

我们在扩展数据图显示。gydF4y2Ba1gydF4y2Bae, f的直方图平行和反平行的自旋状态很好分离,这enbales旋转读出保真度超过99.97%为量子比特Q5-Q6量子位q1和。这个数字可能会进一步增加了积分信号时间更长,但并不是限制的过程。这种量化方法自旋读出富达在文献中常用但遗漏错误发生在斜坡时间(量子位的映射状态读出基底)。这是一个明显的效果,从测量能见度的拉比振荡。gydF4y2Ba

Postselection的数据gydF4y2Ba

当使用平价读出一个量子位,约5%的平均运行被丢弃的初始化过程(图。gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba)。在当两个外量子位成对使用,约10%的数据被丢弃(1−0.95gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。当执行实验所有六个量子位,额外的初始化步骤需要postselection(在扩展数据图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,运行postselected总共18测量结果的基础上),并且我们会抛弃大约65%的数据集。当我们不丢弃任何运行时,初始化保真度降低了单个量子位约5 - 9%。gydF4y2Ba

设置和使用FPGA实时反馈gydF4y2Ba

设置gydF4y2Ba

一个详细的实验装置示意图提出了扩展数据图。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,列出所有在实验中使用的关键部件。gydF4y2Ba

编程量子电路gydF4y2Ba

量子电路实现微波脉冲的形式为single-qubit操作,门电压脉冲two-qubit盖茨和栅电压脉冲结合射频脉冲读出。产生的栅电压脉冲任意波发生器(AWG)。微波脉冲生成通过IQ调制的微波矢量载波频率源。IQ调制的输入信号是由相同的AWG作为用于电压脉冲。IQ调制定义了振幅包络的微波脉冲,输出频率和相位的变化。虚拟gydF4y2BaZgydF4y2Ba盖茨由递增的参考阶段实现数控振荡器(中心化(见下文),用于,例如,正确的相位误差引入的相声。生成控制信号存储在内存的分辨率1 ns。gydF4y2Ba

微波脉冲应用于six-qubit样本是由一个单一的微波源与载波频率设定在16.3 GHz。我们解决六个不同智商量子位使用单边带调制的载波取代微波的频率输出信号的频率目标量子位。因为每个量子位都有不同的共振频率(不同于载波频率),有必要跟踪阶段进化的量子位拉莫尔进动频率,以确保相位相干微波脉冲连续single-qubit操作。意识到,我们定义的AWG六个连续运行网络中心化,每个量子位一个。这些网络中心化量子位的进化阶段的跟踪载波频率。我们选择这种方法,而不是precalculating序列中的每个脉冲的相位因素,这是一个不是一个可伸缩的方法日趋复杂的量子电路。gydF4y2Ba

数字化仪是同步AWG收购量子位读出数据。在一个我们可以包括多个读出段,每个定义在一个数字化仪指令列表。一步在此列表中指定了一个测量时间窗,量子位的等待时间和阈值状态。输入信号在测量窗口和集成结果与一个阈值来确定量子位的状态。0或1,这一结果可以直接通过了AWG的触发线内Keysight PCI扩展仪器(PXI)底盘,由数字化仪和AWG共享,实现实时反馈的测量输出。gydF4y2Ba

实时反馈gydF4y2Ba

在初始化和读出序列的执行选择盖茨取决于中间测量的结果,使实时修正量子位状态。的总时间测量,直到结束的开始条件门(破裂)在设备上应该比量子位的弛豫时间要短得多gydF4y2BaTgydF4y2Ba1gydF4y2Ba,理想也比约μs短,所需的时间是绝热通道回到平价测量后的操作点,这样不花不必要的闲置时间。这么快实现控制回路与一个定制的FPGA(现场可编程门阵列)计划在AWG和数字化仪,扩展数据图所示。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba。的总延迟闭环反馈是660 ns,符合设计要求。gydF4y2Ba