[論文レビュー] Characterization of multi-level dynamics and decoherence in a high-anharmonicity capacitively shunted flux circuit

Muhammet Ali Yurtalan, Jiahao Shi+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 64被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、大きなシャントコンデンサを備えた3ジョセフソン接合のフラックスキュービットを提示しており、高い非調和性（2π × 3.69 GHz）、長いエネルギー緩和時間（40 µs）、およびスピンエコー位相崩壊時間（9.4 µs）を達成している。このデバイスはナノ秒スケールの単一キュービットゲートを99.92%のランダム化ベンチマーキング忠実度で実現可能であり、高速で高忠実度の2キュービット操作およびキュートリット状態を用いた多準位量子論理の可能性を示している。

ABSTRACT

We present the design and characterization of a three-Josephson-junction superconducting loop circuit with three large shunt capacitors. Used as a qubit, the circuit shows long energy-relaxation times, of the order of 40 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$s and a spin-echo dephasing time of 9.4 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$s. The circuit has high anharmonicity, of 2$\pi$$ imes$3.69 GHz. We extract the multilevel relaxation and dephasing rates of the circuit used as a qutrit and discuss the possible sources for the decoherence. The high anharmonicity allows for fast qubit control with nanosecond-range gate durations and a measured average gate fidelity of 99.92%, characterized by randomized benchmarking. These results demonstrate interesting potential use for fast nanosecond-time-scale two-qubit gates and multilevel quantum logic.

研究の動機と目的

• 高速で高忠実度の量子ゲートを実現するために、同時に長いコherー二ンス時間と高い非調和性を有する超伝導フラックスキュービットの開発。
• キャパシタ結合された3接合フラックス回路としてのキュートリットとしての多準位ダイナミクスとデコherenceの特性評価。
• スケーラブルな量子コンピューティングに適した、高忠実度のナノ秒スケールのゲート操作の実証。
• 高非調和性フラックスキュービットにおける支配的デコherenceメカニズムの同定と分析。
• エンジニアリングされたキュートリット状態を用いた高速2キュービットゲートおよび多準位量子論理の可能性の探求。

提案手法

• 電荷ノイズおよびフラックスノイズを低減するために、3つの大きな平面状シャントコンデンサを備えた3ジョセフソン接合の超伝導ループの設計。
• 正確な回路モデル化のため、容量行列値を決定するために有限要素電磁気シミュレーションの使用。
• キュービットに結合された共面波ガイド（CPW）共振器を用いた分散的読み出しの実装。
• 単一キュービット操作の平均ゲート忠実度を測定するためにランダム化ベンチマーキングの適用。
• CPMGおよびラムゼイ実験を用いて、多準位の緩和および位相崩壊率の抽出。
• 接合部における位相差およびトラップされた電荷のゲート電圧を含む、運動エネルギーモデルとポテンシャルエネルギー項を用いた回路ハミルトニアンのモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャパシタ結合された高非調和性フラックスキュービット（キュートリットとして使用時）における多準位の緩和および位相崩壊率は何か？
• RQ2 この設計におけるエネルギー緩和（T1）およびスピンエコー位相崩壊（T2*）は、非調和性およびノイズ源とどのようにスケーリングするか？
• RQ3 このシステムにおける単一キュービット操作の実現可能なゲート速度および忠実度は何か？
• RQ4 この高非調和性フラックスキュービットアーキテクチャにおける支配的デコherenceメカニズムは何か？
• RQ5 この設計は、高速で高忠実度の2キュービットゲートおよび多準位量子論理をサポートできるか？

主な発見

• キュービットはエネルギー緩和時間（T1）が40 µs、スピンエコー位相崩壊時間（T2*）が9.4 µsを示しており、長いコherー二ンスを示している。
• デバイスは2π × 3.69 GHzの高い非調和性を達成しており、π/2パルスでは1.62 ns、πパルスでは2.64 nsの高速単一キュービットゲートを実現可能である。
• ランダム化ベンチマーキングにより、平均ゲート忠実度が99.92%に達しており、高いゲート品質を示している。
• 多準位ダイナミクスは特性評価され、キュートリットとして使用する際、0–1および1–2遷移における測定可能な緩和および位相崩壊率が確認された。
• 大きな非調和性により、望ましくない遷移が抑制され、個々の準位の選択的制御が可能になった。
• CPMG実験によるノイズスペクトル解析から、1/|ω|δ型ノイズが特に低周波数で位相崩壊の主要因であることが判明した。