[論文レビュー] A universal quantum gate set for transmon qubits with strong ZZ interactions

Junling Long, Tongyu Zhao+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、従来、問題視されていた強いZZ相互作用下でのトランスモンキュービット用のユニバーサルな量子ゲートセットを提示する。著者らは、二軸ゲート（TAG）と呼ばれる新規の三段階複合パルスプロトコルを導入し、他のキュービットの状態に依存しない高精度な単一キュービット回転を実現した。自由発展とSWIPHTに基づくマイクロ波パルスを用いてCZおよびCNOTゲートを実装し、それぞれ97.8%および94.6%のゲート精度を達成した。これは、強いZZ結合を抑制するのでなく、高速で高精度な量子操作に活用できることを示している。

ABSTRACT

High-fidelity single- and two-qubit gates are essential building blocks for a fault-tolerant quantum computer. While there has been much progress in suppressing single-qubit gate errors in superconducting qubit systems, two-qubit gates still suffer from error rates that are orders of magnitude higher. One limiting factor is the residual ZZ-interaction, which originates from a coupling between computational states and higher-energy states. While this interaction is usually viewed as a nuisance, here we experimentally demonstrate that it can be exploited to produce a universal set of fast single- and two-qubit entangling gates in a coupled transmon qubit system. To implement arbitrary single-qubit rotations, we design a new protocol called the two-axis gate that is based on a three-part composite pulse. It rotates a single qubit independently of the state of the other qubit despite the strong ZZ-coupling. We achieve single-qubit gate fidelities as high as 99.1% from randomized benchmarking measurements. We then demonstrate both a CZ gate and a CNOT gate. Because the system has a strong ZZ-interaction, a CZ gate can be achieved by letting the system freely evolve for a gate time $t_g=53.8$ ns. To design the CNOT gate, we utilize an analytical microwave pulse shape based on the SWIPHT protocol for realizing fast, low-leakage gates. We obtain fidelities of 94.6% and 97.8% for the CNOT and CZ gates respectively from quantum progress tomography.

研究の動機と目的

• スーパコンダクティングキュービットにおける高い二キュービットゲート誤り率という課題を克服し、フォールトトレランス量子計算のボトルネックを解消すること。
• 通常はクロステークやゲート不正確性の原因と見なされる残留ZZ相互作用の悪影響を、ゲート実装のリソースに再利用すること。
• 強いZZ結合状態でも効果的に動作する高速で高精度なユニバーサルな量子ゲートセットを構築し、スケーラブルで頑健な量子計算を可能にすること。
• 他のキュービットがスーパポジションに存在する状況下でも、高精度な単一キュービットゲートを実現できる新規な複合パルスプロトコルを用いて実装すること。

提案手法

• 著者らは、単一キュービット回転中にZZ結合の影響をキャンセルする三段階複合パルスシーケンスである二軸ゲート（TAG）を導入し、キュービット独立制御を可能にした。
• ランダム化ベンチマーキングを用いて単一キュービットゲートの精度を評価し、$\widetilde{\ket{01}} \leftrightarrow \widetilde{\ket{11}}$遷移に対して99.1%の精度を測定した。
• CZゲートの実装には、ZZ相互作用下での自由発展（53.8 ns）を活用し、外部マイクロ波パルスなしで制御Z操作を実現した。
• CNOTゲートは、強いZZ結合下でも高速かつ漏れが少ない動作を実現するための、SWIPHTプロトコルに基づく解析的マイクロ波パルス形状を用いて実装した。
• 論理部分空間における有効ハミルトニアンは、シュリエッファー＝ウルフ変換を用いて導出され、キャビティ媒介結合およびZZ相互作用からの補正項を含む。
• CZおよびCNOTゲートの精度を検証するために量子プロセストモグラフィーを用い、それぞれ97.8%および94.6%の精度を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 容量結合されたトランスモンキュービットにおける強いZZ相互作用は、量子ゲート実装の障害要因ではなく、リソースとして活用可能か？
• RQ2 複合パルスシーケンスを用いることで、強いZZ結合下でも高精度な単一キュービット回転を実現可能か？
• RQ3 ZZ結合をオフにせずに、CZおよびCNOTを含むユニバーサルな二キュービットエンタングルゲートセットを、効率的に実装可能か？
• RQ4 ZZ結合を意図的に高いレベルに維持した場合、単一および二キュービットゲートの精度はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 SWIPHTプロトコルは、強いZZ結合下でも高速かつ低漏れのCNOTゲートを実現するために適応可能か？

主な発見

• 二軸ゲート（TAG）は、ランダム化ベンチマーキングによる測定で99.1%の単一キュービットゲート精度を達成し、強いZZ結合に対して高い頑健性を示した。
• CZゲートは53.8 nsの自由発展を用いて成功裏に実装され、量子プロセストモグラフィーによる確認で97.8%の精度を達成した。
• CNOTゲートはSWIPHTベースのマイクロ波パルスを用いて実装され、量子プロセストモグラフィーにより94.6%の精度を達成した。
• 論理部分空間における有効ハミルトニアンには、シュリエッファー＝ウルフ変換を用いて導出された補正エネルギーシフトおよびZZ結合項が含まれており、正確なゲート設計を可能にした。
• ZZ相互作用が高速で高精度なエンタングルゲートの実現リソースとして有効であることが示された。これにより、チューナブルカップラーへの依存が軽減され、ゲート時間のオーバーヘッドも最小限に抑えられた。
• 本研究では、強いZZ結合が高精度なユニバーサルゲート操作を妨げるものではなく、スケーラブルなスーパーコンダクティング量子コンピューティングアーキテクチャの新たな道筋を示した。