シリコンドナー量子プロセッサでユニバーサル論理演算を実現

深セン国際量子アカデミーの研究者たちは、ユニバーサルな論理ゲート演算を実行できるシリコンベースの量子プロセッサを実証しました。このデバイスは、同位体純化されたシリコン28格子に埋め込まれた5つのリン（Phosphorus）ドナー核スピンのクラスターを利用しており、走査型トンネル顕微鏡（STM）リソグラフィーによって原子精度でパターン化されています。環境ノイズを管理するため、システムは[[4, 2, 2]]量子誤り検出コードを実装しており、これは4つの物理量子ビットを使用して2つの論理量子ビットをエンコードします。このアーキテクチャは、従来の半導体製造プロセスとの互換性で評価されているシリコンスピンプラットフォーム内で、ユニバーサル論理演算が初めて特徴付けられた事例となります。

技術的な実装には、単一量子ビットのクリフォードゲート、同時アダマールゲート、および2量子ビットのCNOTゲートを含むユニバーサル論理ゲートセットの特徴付けが含まれていました。非クリフォードTゲートは、ゲート・バイ・メジャメント（gate-by-measurement）方式を用いて達成され、これには必要な位相回転を注入するために補助的な核スピンが関与します。実験結果は、平均物理ゲート忠実度が95%を超え、論理コヒーレンス時間は約208マイクロ秒（208µs）と測定されました。システムは強いノイズバイアスを示し、位相フリップ（Z）エラーがビットフリップ（X）エラーを著しく支配しており、これは大規模な耐故障性アーキテクチャに必要なハードウェアオーバーヘッドを削減する可能性がある特性です。