[論文レビュー] Frequency Up-Conversion Schemes for Controlling Superconducting Qubits

Johannes Herrmann, Christoph Hellings+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2022

Optical Network Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、従来のIQミキシングに代わる二段階の周波数上り変換方式を提案し、雑音成分を抑制するためのアナログフィルタリングを組み合わせることで、超伝導キュービット向けに高精度なマイクロ波パルスを生成する。この手法により、70 dBを超える不純成分なし動的範囲が達成され、標準的なIQミキシングと比較して、温度変化に対する感受性が低く、単一キュービットゲートの忠実度が向上した。

ABSTRACT

High-fidelity control of superconducting qubits requires the generation of microwave-frequency pulses precisely tailored on nanosecond timescales. These pulses are most commonly synthesized by up-converting and superimposing two narrow-band intermediate-frequency signals referred to as the in-phase (I) and quadrature (Q) components. While the calibration of their DC-offsets, relative amplitude and phase allows one to cancel unwanted sideband and carrier leakage, this IQ mixing approach suffers from the presence of additional spurious frequency components. Here, we experimentally study an alternative approach based on double frequency conversion, which overcomes this challenge and circumvents the need for IQ-calibration. We find a spurious-free dynamic range of more than 70$\,$dB and compare the quality of pulse generation against a state-of-the-art IQ mixing scheme by performing repeated single-qubit randomized benchmarking on a superconducting qubit.

研究の動機と目的

• 従来のIQミキシングにおけるマイクロ波パルス生成の限界、特に不純な周波数成分と広範なキャリブレーションの必要性を解決すること。
• 破壊的干渉に依存せずに、不要な側帯とキャリア漏れを抑制する代替周波数上り変換方式の開発。
• 信号歪みと環境への感受性、特に温度変化に起因するドリフトの低減により、単一キュービットゲートの忠実度を向上させること。
• 実際の超伝導キュービットを用いたランダム化ベンチマークイングを用いて、二段階上り変換方式の性能を最先端のIQミキシングと比較すること。

提案手法

• 本手法は、異なる周波数の局所発振器（LO）を用いて二段階の周波数上り変換を実行する。各段階で中間周波数（IF）信号が上り変換される。
• 各ミキシング段階の後ろにアナログバンドパスフィルタを設け、不要な側帯とキャリア漏れを抑制することで、IQの振幅および位相キャリブレーションの必要性を排除する。
• 二段階のIF信号は、デジタル・アナログコンバータ（DAC）を介して独立して生成され、パルスエンベロープの精密な制御が可能になる。
• 最終出力は、qubit遷移周波数に中心を置いた高周波数マイクロ波パルスであり、フィルタリングと段階的ミキシングのおかげで不純成分が最小限に抑えられる。
• 実験的検証には、高密度IQコンバータ（HDIQ）と超高周波信号発生器（SHFSG）が用いられた。
• パルス忠実度は、トランスモンキュービットを用いた繰り返しランダム化ベンチマークイングにより評価され、UHFQAディジタイザを用いた重み付き積分方式による読み出しも実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二段階周波数上り変換方式は、超伝導キュービット制御における従来のIQミキシングと比較して、不純成分の抑制をより効果的に行えるか？
• RQ2 IQキャリブレーションを排除することで、温度変化などの変動環境下でも安定性と性能が向上するか？
• RQ3 二段階上り変換方式の不純成分なし動的範囲（SFDR）は、標準的なIQミキシングと比較してどの程度か？
• RQ4 二段階上り変換方式は、測定可能な単一キュービットゲート忠実度の向上をもたらすか？
• RQ5 スペクトル純度およびパルス忠実度の観点から、二段階上り変換方式の信号品質はIQミキシングと比較してどの程度か？

主な発見

• 二段階周波数上り変換方式は、70 dBを超える不純成分なし動的範囲（SFDR）を達成し、不要なスペクトル成分の抑制において従来のIQミキシングを著しく上回った。
• 各ミキシング段階の後にアナログフィルタを設けることで、側帯とキャリア漏れを抑制し、IQキャリブレーションの必要性が完全に排除された。
• 環境温度の変動に対する感受性が低く、時間経過に伴うパルス生成の安定性が向上した。
• 単一キュービットのランダム化ベンチマークイングの結果、二段階上り変換方式を用いることで、IQミキシングと比較してわずかだが測定可能な忠実度の向上が確認された。
• 実験装置では、上部スイートスポットに配置されたトランスモンキュービットを用い、三状態読み出し誤差が2.8%に達し、|g⟩の割り当て確率が99.7%、|e⟩が95.8%、|f⟩が96.0%であった。
• 結果から、二段階上り変換手法が、不純成分の少ないクリアなマイクロ波パルスを提供し、より高精度な量子制御を可能にすることが確認された。