[論文レビュー] Demonstration of the Two-Fluxonium Cross-Resonance Gate

Ebru Doğan, Dario Rosenstock+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、半分の磁束量子のスイートスポットで、計算サブスペース内に完全に閉じ込められた全マイクロ波駆動のクロスレゾナンス（CR）CNOTゲートを、2つのフラックスォニウムキュービット間で高速に実現することを示している。70ナノ秒で99.49(6)%のfidelityを達成し、磁束の調整や非計算状態の励起を回避しながらコherenCeを維持しており、超伝導量子プロセッサにおける高精度・コherenCe最適化の2キュービット操作への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

The superconducting fluxonium qubit has a great potential for high-fidelity quantum gates with its long coherence times and strong anharmonicity at the half flux quantum sweet spot. However, current implementations of two-qubit gates compromise fluxonium's coherence properties by requiring either a temporary population of the non-computational states or tuning the magnetic flux off the sweet spot. Here we realize a fast all-microwave cross-resonance gate between two capacitively-coupled fluxoniums with the qubit dynamics well confined to the computational space. We demonstrate a direct CNOT gate in 70 ns with fidelity up to $\mathcal{F}=0.9949(6)$ despite the limitations of a sub-optimal measurement setup and device coherence. Our results project a possible pathway towards reducing the two-qubit error rate below $10^{-4}$ with present-day technologies.

研究の動機と目的

• 半分の磁束量子スイートスポットから離れないようにすることで、コherenCeを高めるフラックスォニウムキュービットの2キュービットゲートの開発。
• ダイナミックな磁束制御や可変結合器を必要としない、完全にマイクロ波駆動によるクロスレゾナンスゲートの実装。
• 計算サブスペースに厳密に制限された状態で、高精度の2キュービット操作を実現すること。
• フラックスォニウムの強い非調和性が、コherenCeを損なわず、高速かつ高精度なゲートを可能にすることの実証。
• 現在の技術を用いて2キュービットエラー率を10⁻⁴未満に抑える道筋を示すこと。

提案手法

• 2つのフラックスォニウムキュービットを容量結合し、コherenCeを最大化するために半分の磁束量子スイートスポットで動作。
• 制御キュービットをターゲットキュービットの遷移周波数に合わせて駆動することでクロスレゾナンス相互作用を誘発し、CNOT操作を実現。
• 脈幅の最小限の整形を施したマイクロ波パルスを用い、フラックスォニウムの大きな非調和性と行列要素の階層を活用。
• 非計算状態の励起やスイートスポットからの周波数のずれを一切行わず、ゲートを実行。
• パルスのラムプ時間を2ナノ秒に短縮してもfidelityに顕著な低下がなく、高速パルスに対する頑健性を示した。
• 数値シミュレーションを用いて、ユニタリーエラーおよび非ユニタリーエラーを含むゲート誤差要因をモデル化し、最適化を支援。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半分の磁束量子スイートスポットから離れないようにすることで、フラックスォニウムキュービットに高精度な2キュービットゲートを実装できるか？
• RQ2 強い非調和性と選択則を有するフラックスォニウムキュービットに、クロスレゾナンスゲート機構を効果的に適用できるか？
• RQ3 計算サブスペースに閉じ込められ、マイクロ波駆動のみを用いる場合、達成可能なゲートfidelityと速度はどの程度か？
• RQ4 リラクゼーションやデコherenceなどの誤差要因が、この構成におけるゲート性能にどのように制限を及えるか？
• RQ5 現在のデバイスパラメータとわずかな改善を加えることで、ゲートfidelityを10⁻⁴未満のエラー率にまで向上できるか？

主な発見

• 70ナノ秒で99.49(6)%のfidelityを達成した直接的なCNOTゲートを、計算サブスペース内で実現。高精度な動作を実証。
• fidelityが自由時間発展のコherenCe限界に非常に近いことから、10⁻³レベルで隠れた制御誤差やデコherenceは存在しないことが示唆された。
• パルスラムプ時間を2ナノ秒にまで短縮してもfidelityに顕著な影響がなく、高速パルスに対する頑健性が顕著に示された。
• 数値シミュレーションの結果、パルス反射問題が解決されれば40ナノ秒のゲート速度が最適である可能性がある。
• より高いコherenCe時間（例：T₂ > 200 μs）が達成された場合、50ナノ秒のゲート時間でコherenCe制限エラー率2×10⁻⁴が予測される。
• 本システムは、CYπや任意の単一キュービット回転を含むパrameterized制御ユニタリ操作をサポートすると予想され、より広範な量子アルゴリズム応用が可能になる。