[論文レビュー] Experimental realization of nonadiabatic geometric gates with a superconducting Xmon qubit

P. Z. Zhao, Zhangjingzi Dong+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超伝導Xmonキュービットを用いて、2つの最低準位における非断熱アーベル幾何位相を活用することで、非断熱幾何1キュービット量子ゲートを実験的に実現した。2番目の励起状態のデコherence問題を回避し、平均ゲートfideliyが99.6%（量子過程トモグラフィー）および99.7%（ランダム化ベンチマーク）に達し、スケーラブルな超伝導プラットフォーム上で高精度でノイズに強い量子操作を実現した。

ABSTRACT

Geometric phases are only dependent on evolution paths but independent of evolution details so that they own some intrinsic noise-resilience features. Based on different geometric phases, various quantum gates have been proposed, such as nonadiabatic geometric gates based on nonadiabatic Abelian geometric phases and nonadiabatic holonomic gates based on nonadiabatic non-Abelian geometric phases. Up to now, nonadiabatic holonomic one-qubit gates have been experimentally demonstrated with the supercondunting transmon, where three lowest levels with cascaded configuration are all applied in the operation. However, the second excited states of transmons have relatively short coherence time, which results in a lessened fidelity of quantum gates. Here, we experimentally realize Abelian-geometric-phase-based nonadiabatic geometric one-qubit gates with a superconducting Xmon qubit. The realization is performed on two lowest levels of an Xmon qubit and thus avoids the influence from the short coherence time of the second excited state. The experimental result indicates that the average fidelities of single-qubit gates can be up to 99.6% and 99.7% characterized by quantum process tomography and randomized benchmarking, respectively.

研究の動機と目的

• 超伝導Xmonキュービットを用いて、より高いノイズ耐性を備えた高精度な非断熱幾何量子ゲートを実現すること。
• トロモンキュービットにおける2番目の励起状態の短いコherences時間によって引き起こされるfideliyの低下を、2つの最低準位でのみ動作させることで克服すること。
• 非断熱アーベル幾何位相が、高精度かつ制御誤差に対して頑健な普遍的な1キュービットゲートを実現できることを示すこと。
• 量子過程トモグラフィーとランダム化ベンチマークの両方を用いてゲート性能を検証し、包括的なfideliy評価を行うこと。

提案手法

• 時間に依存するハミルトニアン下での2準位量子系の循環的時間発展により、非断熱アーベル幾何位相を生成するプロトコルを採用する。
• ブロッホ球上でのスライス形状の時間発展経路を用い、1つのループで任意の1キュービット幾何ゲートを実装することで、制御を簡素化し、誤差源を低減する。
• 過程行列の再構築とゲートfideliyの計算に量子過程トモグラフィーを適用し、読み取り誤差を補正することで正確性を確保する。
• クリフォードベースのランダム化ベンチマークを用いて平均ゲート誤差率とfideliyを抽出し、参照およびインタリーブドプロトコルを用いて全体的および特定のゲート性能を区別する。
• Xmonキュービットは2つの最低準位（|0⟩ と |1⟩）でのみ動作させ、2番目の励起状態を完全に回避することでデコherenceを軽減する。
• 実験装置では、マイクロ波パルスを用いてキュービットをブロッホ球上の幾何経路に沿って駆動し、動的位相に依存しない幾何位相を誘発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非断熱アーベル幾何ゲートは、2つの最低準位のみを用いて超伝導Xmonキュービットで高精度に実装可能か？
• RQ2 3準位トロモングエートに基づく実装と比較して、2番目の励起状態を回避した場合、非断熱幾何ゲートのfideliyはどのように変化するか？
• RQ3 実際の超伝導ハードウェアプラットフォームにおいて、量子過程トモグラフィーやランダム化ベンチマークといった標準的なベンチマークプロトコルにおける幾何ゲートの性能はいかほどか？
• RQ4 現実的な制御不備下において、幾何位相が超伝導キュービット系で内在的なノイズ耐性を提供する程度はどの程度か？
• RQ5 スライス形状の時間発展経路は、1つの制御ループで普遍的な1キュービット幾何ゲートを実現可能であり、ゲート実装を簡素化できるか？

主な発見

• 量子過程トモグラフィーを用いて測定した非断熱幾何ゲートの平均過程fideliyは、状態準備および測定誤差の補正後、99.6%に達した。
• ランダム化ベンチマークにより、平均ゲートfideliyは99.7%に達し、デポラライジングパラメータp = 0.994、平均誤差率0.3%に対応した。
• 本実装ではキュービットの2番目の励起状態を完全に回避したため、3準位トロモングエートに基づくホロノミックゲートでfideliyを制限する主要因であるデコherenceを排除した。
• fideliyの結果から、幾何位相が制御誤差に対して内在的な耐性を示すことが判明し、標準的なベンチマークプロトコル下でも高い性能を発揮した。
• 1ループ、スライス形状の時間発展経路の使用により、任意の1キュービット幾何ゲートが効率的に実装可能であり、制御の複雑さと潜在的誤差源が低減された。
• 結果から、スケーラブルな超伝導キュービットプラットフォーム上で非断熱アーベル幾何ゲートが実現可能で、高い性能を示すことが確認された。他の量子系、例えばイオントラップやNVセンターへの応用も可能性を有する。