[論文レビュー] Digital feedback in superconducting quantum circuits

Diego Ristè, L. DiCarlo|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 19被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、離散的投影測定と条件付き操作を用いて、超伝導量子回路におけるデジタルフィードバック制御の初の実装を提示している。この手法により、確定的なキュービットリセットとエンタングルメント生成が可能になった。測定結果に基づく$π$パルスを適用することで、目的のベル状態の準備に100%の成功率が達成され、$|\Phi^+\rangle$とのfidelityは66%、concurrenceは34%に達した。

ABSTRACT

This chapter covers the development of feedback control of superconducting qubits using projective measurement and a discrete set of conditional actions, here referred to as digital feedback. We begin with an overview of the applications of digital feedback in quantum computing. We then introduce an implementation of high-fidelity projective measurement of superconducting qubits. This development lays the ground for closed-loop control based on the binary measurement result. A first application of digital feedback control is fast and deterministic qubit reset, allowing the repeated initialization of a qubit more than an order of magnitude faster than its relaxation rate. A second application employs feedback in a multi-qubit setting to convert the generation of entanglement by parity measurement from probabilistic to deterministic, targeting an entangled state with the desired parity every time.

研究の動機と目的

• 離散的測定結果と条件付き操作を用いて、超伝導キュービットのクローズド・ループフィードバックシステムを構築すること。
• 測定の確率的性質をフィードバックによって補い、望ましい量子状態を確定的に準備すること。
• 量子アルゴリズムやエラー訂正における繰り返し利用を可能にする、高速で確定的なキュービット初期化を実現すること。
• パリティ測定による確率的エンタングルメント生成を、フィードバックを用いて確定的プロセスに変換すること。
• より大きな量子情報処理アーキテクチャへの統合に適したスケーラブルで設定可能なフィードバック制御を実現すること。

提案手法

• 分散読み出し技術を用いて、超伝導キュービットの高精度な射影測定を実装すること。
• 自作のプログラマブルコントローラーを用いて、2値測定結果に基づく条件付き操作を適用すること。
• パリティ測定で$M_P = +1$が得られた場合に、しきい値電圧$V_{\text{th}}$を基準に1つのキュービットに$π$パルスを適用すること。
• 状態$|00\rangle$と$|11\rangle$間の確定的ACスターブ位相シフトを、条件付きパルスの位相$\varphi$を調整することで補償すること。
• 目標の奇数パリティベル状態$|\Phi^+\rangle$との重なりを最大化するために、$\varphi = (\pi - \varphi_e)/2$を選択してフィードバックを最適化すること。
• 生成された状態のfidelityとエンタングルメントを検証するため、全状態トモグラフィーを実行すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導回路にデジタルフィードバック制御を実装することで、確定的なキュービット初期化を達成できるか？
• RQ2 フィードバックをどのように用いることで、確率的パリティ測定を確定的エンタングルメント生成に変換できるか？
• RQ3 測定に起因する位相シフトを補償し、目標状態のfidelityを最大化する最適なフィードバック戦略は何か？
• RQ4 デジタルフィードバックは、fidelityを損なわせることなく、エンタングルメント生成の成功率を向上させられるか？
• RQ5 スピード、信頼性、スケーラビリティの観点から、アナログまたはオープンループプロトコルと比較して、デジタルフィードバックはどのように差をつけるか？

主な発見

• デジタルフィードバックにより、リラクゼーションレートの10倍以上を上回る成功率で、確定的なキュービットリセットが可能となり、高速かつ信頼性の高い初期化が達成された。
• フィードバック制御の実装により、目標ベル状態の生成に100%の成功率が達成され、確率的プロトコルが確定的プロトコルに変換された。
• 全状態トモグラフィーにより確認されたところ、生成された状態は目標の$|\Phi^+\rangle$ベル状態と66%のfidelityを達成した。
• 34%のconcurrenceが達成され、残存するデcohエレーションや位相エラーの影響にもかかわらず、顕著なエンタングルメントが存在することが示された。
• 最適なフィードバック位相$\varphi = (\pi - \varphi_e)/2$が、0.73$\pi$のACスターブ位相シフトを補償し、目標状態との重なりを最大化した。
• 確定的エンタングルメント生成効率（$\mathcal{E} = 0.41$ ebits/run）は、後選別に基づく確率的手法を上回ったが、concurrenceはそれほど高くはなかった。