We present a scheme to neutralize the dephasing effect induced by classical noise on a qubit. The scheme builds upon the key idea that this kind of noise can be recorded by a classical device during the qubit evolution, and that its effect can be undone by a suitable control sequence that is conditioned on the measurement result. We specifically demonstrate this scheme on a nitrogen-vacancy center that strongly couples to current noise in a nearby conductor. By conditioning the readout observable on a measurement of the current, we recover the full qubit coherence and the qubit's intrinsic coherence time T2. We demonstrate that this scheme provides a simple way to implement single-qubit gates with an infidelity of 10−2 even if they are driven by noisy sources, and we estimate that an infidelity of 105 could be reached with additional improvements. We anticipate this method to find widespread adoption in experiments using fast control pulses driven from strong currents, in particular, in nanoscale magnetic resonance imaging, where control of peak currents of 100 mA with a bandwidth of 100 MHz is required.

1.
G.
de Lange
,
T.
van der Sar
,
M.
Blok
,
Z.-H.
Wang
,
V.
Dobrovitski
, and
R.
Hanson
,
Sci. Rep.
2
,
382
(
2012
).
2.
T.
Staudacher
,
F.
Shi
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
J.
Du
,
C. A.
Meriles
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
339
,
561
(
2013
).
3.
H. J.
Mamin
,
M.
Kim
,
M. H.
Sherwood
,
C. T.
Rettner
,
K.
Ohno
,
D. D.
Awschalom
, and
D.
Rugar
,
Science
339
,
557
(
2013
).
4.
J.
Yoneda
,
K.
Takeda
,
T.
Otsuka
,
T.
Nakajima
,
M. R.
Delbecq
,
G.
Allison
,
T.
Honda
,
T.
Kodera
,
S.
Oda
,
Y.
Hoshi
,
N.
Usami
,
K. M.
Itoh
, and
S.
Tarucha
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
102
(
2018
).
5.
Y.
Romach
,
C.
Müller
,
T.
Unden
,
L. J.
Rogers
,
T.
Isoda
,
K. M.
Itoh
,
M.
Markham
,
A.
Stacey
,
J.
Meijer
,
S.
Pezzagna
,
B.
Naydenov
,
L. P.
McGuinness
,
N.
Bar-Gill
, and
F.
Jelezko
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
017601
(
2015
).
6.
P.
Jamonneau
,
M.
Lesik
,
J. P.
Tetienne
,
I.
Alvizu
,
L.
Mayer
,
A.
Dréau
,
S.
Kosen
,
J.-F.
Roch
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
T.
Teraji
,
Y.
Kubo
,
P.
Bertet
,
J. R.
Maze
, and
V.
Jacques
,
Phys. Rev. B
93
,
024305
(
2016
).
7.
K.
Saeedi
,
S.
Simmons
,
J. Z.
Salvail
,
P.
Dluhy
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
J. J. L.
Morton
, and
M. L. W.
Thewalt
,
Science
342
,
830
(
2013
).
8.
Ł
Cywiński
,
R. M.
Lutchyn
,
C. P.
Nave
, and
S.
Das Sarma
,
Phys. Rev. B
77
,
174509
(
2008
).
9.
J. H.
Shim
,
I.
Niemeyer
,
J.
Zhang
, and
D.
Suter
,
Europhys. Lett.
99
,
40004
(
2012
).
10.
G.
de Lange
,
D.
Ristè
,
V. V.
Dobrovitski
, and
R.
Hanson
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
080802
(
2011
).
11.
S.
Kotler
,
N.
Akerman
,
Y.
Glickman
,
A.
Keselman
, and
R.
Ozeri
,
Nature
473
,
61
(
2011
).
12.
J.
Bylander
,
S.
Gustavsson
,
F.
Yan
,
F.
Yoshihara
,
K.
Harrabi
,
G.
Fitch
,
D. G.
Cory
,
Y.
Nakamura
,
J.-S.
Tsai
, and
W. D.
Oliver
,
Nat. Phys.
7
,
565
(
2011
).
13.
N.
Bar-Gill
,
L. M.
Pham
,
C.
Belthangady
,
D.
Le Sage
,
P.
Cappellaro
,
J. R.
Maze
,
M. D.
Lukin
,
A.
Yacoby
, and
R.
Walsworth
,
Nat. Commun.
3
,
858
(
2012
).
14.
N.
Ofek
,
A.
Petrenko
,
R.
Heeres
,
P.
Reinhold
,
Z.
Leghtas
,
B.
Vlastakis
,
Y.
Liu
,
L.
Frunzio
,
S. M.
Girvin
,
L.
Jiang
,
M.
Mirrahimi
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
536
,
441
(
2016
).
15.
T.
Unden
,
P.
Balasubramanian
,
D.
Louzon
,
Y.
Vinkler
,
M. B.
Plenio
,
M.
Markham
,
D.
Twitchen
,
A.
Stacey
,
I.
Lovchinsky
,
A. O.
Sushkov
,
M. D.
Lukin
,
A.
Retzker
,
B.
Naydenov
,
L. P.
McGuinness
, and
F.
Jelezko
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
230502
(
2016
).
16.
M.
Hirose
and
P.
Cappellaro
,
Nature
532
,
77
(
2016
).
17.
N.
Sinclair
,
E.
Saglamyurek
,
H.
Mallahzadeh
,
J. A.
Slater
,
M.
George
,
R.
Ricken
,
M. P.
Hedges
,
D.
Oblak
,
C.
Simon
,
W.
Sohler
, and
W.
Tittel
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
053603
(
2014
).
18.
X.-S.
Ma
,
T.
Herbst
,
T.
Scheidl
,
D.
Wang
,
S.
Kropatschek
,
W.
Naylor
,
B.
Wittmann
,
A.
Mech
,
J.
Kofler
,
E.
Anisimova
,
V.
Makarov
,
T.
Jennewein
,
R.
Ursin
, and
A.
Zeilinger
,
Nature
489
,
269
(
2012
).
19.
R.
Prevedel
,
P.
Walther
,
F.
Tiefenbacher
,
P.
Böhi
,
R.
Kaltenbaek
,
T.
Jennewein
, and
A.
Zeilinger
,
Nature
445
,
65
(
2007
).
20.
R.
Vijay
,
C.
Macklin
,
D. H.
Slichter
,
S. J.
Weber
,
K. W.
Murch
,
R.
Naik
,
A. N.
Korotkov
, and
I.
Siddiqi
,
Nature
490
,
77
(
2012
).
21.
M. D.
Shulman
,
S. P.
Harvey
,
J. M.
Nichol
,
S. D.
Bartlett
,
A. C.
Doherty
,
V.
Umansky
, and
A.
Yacoby
,
Nat. Commun.
5
,
5156
(
2014
).
22.
G. D.
Fuchs
,
V. V.
Dobrovitski
,
D. M.
Toyli
,
F. J.
Heremans
, and
D. D.
Awschalom
,
Science
326
,
1520
(
2009
).
23.
P.
Haikka
,
Y.
Kubo
,
A.
Bienfait
,
P.
Bertet
, and
K.
Mølmer
,
Phys. Rev. A
95
,
022306
(
2017
).
24.
K.
Arai
,
C.
Belthangady
,
H.
Zhang
,
N.
Bar-Gill
,
S. J.
DeVience
,
P.
Cappellaro
,
A.
Yacoby
, and
R. L.
Walsworth
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
859
(
2015
).
25.
J. M.
Nichol
,
T. R.
Naibert
,
E. R.
Hemesath
,
L. J.
Lauhon
, and
R.
Budakian
,
Phys. Rev. X 
3
,
031016
(
2013
).
26.
U.
Ewert
,
R. H.
Crepeau
,
S.
Lee
,
C. R.
Dunnam
,
D.
Xu
, and
J. H.
Freed
,
Chem. Phys. Lett.
184
,
34
(
1991
).
27.
K. G.
Libbrecht
and
J. L.
Hall
,
Rev. Sci. Instrum.
64
,
2133
(
1993
).
28.
Y.-M.
Yang
,
H.-T.
Xie
,
W.-C.
Ji
,
Y.-F.
Wang
,
W.-Y.
Zhang
,
S.
Chen
, and
X.
Jiang
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
014701
(
2019
).
29.
M. S.
Conradi
,
A. N.
Garroway
,
D. G.
Cory
, and
J. B.
Miller
,
J. Magn. Reson. (1969)
94
,
370
(
1991
).
30.
L.
Shtirberg
and
A.
Blank
,
Concepts Magn. Reson. B
39B
,
119
(
2011
).
31.
P.
Neumann
,
J.
Beck
,
M.
Steiner
,
F.
Rempp
,
H.
Fedder
,
P. R.
Hemmer
,
J.
Wrachtrup
, and
F.
Jelezko
,
Science
329
,
542
(
2010
).
32.
D. A.
Hopper
,
J. D.
Lauigan
,
T.-Y.
Huang
, and
L. C.
Bassett
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
024016
(
2020
).
33.
L.
Childress
,
M. V. G.
Dutt
,
J. M.
Taylor
,
A. S.
Zibrov
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
P. R.
Hemmer
, and
M. D.
Lukin
,
Science
314
,
281
(
2006
).
34.
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Childress
,
L.
Jiang
,
D.
Budker
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Yacoby
,
R.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nat. Phys.
4
,
810
(
2008
).
35.
S.
Mavadia
,
V.
Frey
,
J.
Sastrawan
,
S.
Dona
, and
M. J.
Biercuk
,
Nat. Commun.
8
,
14106
(
2017
).
36.
C.-W.
Baek
,
Y.-K.
Kim
,
Y.
Ahn
, and
Y.-H.
Kim
,
Sens. Actuators A Phys.
117
,
17
(
2005
).
37.
U.
Höpfner
,
H.
Hehl
, and
L.
Brehmer
,
Appl. Surf. Sci.
152
,
259
(
1999
).
38.
I.
Jakobi
,
P.
Neumann
,
Y.
Wang
,
D. B. R.
Dasari
,
F. E.
Hallak
,
M. A.
Bashir
,
M.
Markham
,
A.
Edmonds
,
D.
Twitchen
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
67
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.