[論文レビュー] Efficient cavity control with SNAP gates

Thomas Fösel, Stefan Krastanov+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、回路QEDにおけるマイクロ波キャビティのユニバーサルで高精度な制御を実現するため、SNAPゲートとキャビティ位相シフトを用いた階層的最適化方式を提示する。勾配に基づく微調整により制御パrameterを同時に最適化することで、ゲート列の数をO(N²)からO(N)に削減し、最大50個まで必要とされる場合がある代わりに、3〜4個のSNAPゲートで効率的な量子操作を実現できる。

ABSTRACT

Microwave cavities coupled to superconducting qubits have been demonstrated to be a promising platform for quantum information processing. A major challenge in this setup is to realize universal control over the cavity. A promising approach are selective number-dependent arbitrary phase (SNAP) gates combined with cavity displacements. It has been proven that this is a universal gate set, but a central question remained open so far: how can a given target operation be realized efficiently with a sequence of these operations. In this work, we present a practical scheme to address this problem. It involves a hierarchical strategy to insert new gates into a sequence, followed by a co-optimization of the control parameters, which generates short high-fidelity sequences. For a broad range of experimentally relevant applications, we find that they can be implemented with 3 to 4 SNAP gates, compared to up to 50 with previously known techniques.

研究の動機と目的

• ゲートベースのアプローチを用いて、回路QEDにおけるマイクロ波キャビティに対するユニバーサル制御を効率的に実現する挑戦に応える。
• N個のフォック状態に対して最大N²個のSNAPゲートを必要としていた従来手法の非効率性を克服する。
• 短い、高精度なゲート列を生成するスケーラブルでモジュラーな手法を開発し、実験的に関連する量子操作を実現する。
• 現在のデバイスのコher-エンス時間内に実用的なキャビティ制御を実現するため、ゲート数と実行時間を最小限に抑える。

提案手法

• 目的の操作の構造に基づいて、SNAPゲートと位相シフトを段階的にシーケンスに挿入する階層的戦略を採用する。
• 勾配に基づく最適化（Adam最適化法とバックプロパゲーションに類似したスキーム）を用いて、精度を最適化するための制御パrameterを同時に最適化する。
• 目標ユニタリ演算と生成されたユニタリ演算のトレース重ね合わせに基づくコスト関数により、ゲートの精度を最大化する：𝒟[Û] ∼ |tr[Ṽ†Û]|。
• 低光子数操作を促進するため、光子数コストペナルティ（λ）を組み込み、λはアプリケーションごとに調整する。
• 2段階のプロセスを適用する：初期シーケンス構築とその後の反復的パラメータ微調整。
• ニューラルネットワークを用いないが、機械学習に由来する技術（例：勾配クリッピング、適応的学習率）を活用し、効率的なパrameter探索を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N個のフォック状態に対するユニバーサルキャビティ制御のため、短いゲート列（SNAPゲートと位相シフトから構成）を系統的かつスケーラブルに生成する方法を開発できるか？
• RQ2 N個のフォック状態に対する操作において、必要とされるSNAPゲートの数をO(N²)からO(N)に削減することは可能か？
• RQ3 最小限のゲート数で高精度な制御を達成しつつ、実験的に実現可能であるようにするにはどうすればよいか？
• RQ4 パラメータ空間において、勾配に基づく最適化が、ブルートフォース法やヒューリスティック手法を上回る程度はどの程度か？
• RQ5 この手法は、回路QEDにおける広範な実験的関連量子操作に一般化可能か？

主な発見

• 提案手法により、ユニバーサルキャビティ制御に必要なSNAPゲートの数をO(N²)からO(N)に削減し、2乗の高速化を達成した。
• N=10の場合、最大50個まで必要とされる代わりに、本手法ではわずか4個のSNAPゲートで十分であり、合計ゲート時間は300–500 μsから20 μs未満に短縮された。
• 4個のSNAPゲートで十分なため、キャビティコードにおける誤り訂正の高精度な実装が可能となり、実験的実現可能性が著しく向上した。
• 量子誤り訂正、もつれ状態生成、状態準備など多様な応用においても、本手法は頑健に機能した。
• 最適化プロセスは、ハイパーパrameterの微調整が最小限で、一貫して高精度なシーケンス（精度が1に近い）を生成した。
• 本手法は、すべての必要なゲート（SNAPと位相シフト）がすでに実験的に実証済みであるため、現在の実験に直接適用可能である。