[論文レビュー] High-Fidelity, Frequency-Flexible Two-Qubit Fluxonium Gates with a Transmon Coupler

Leon Ding, Max Hays+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 53被引用数 16

ひとこと要約

fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) アーキテクチャを導入し、2量子ビットゲートを実現。高忠実度で周波数に柔軟な CZ ゲートを ZZ 相互作用抑制と強化学習最適化パルスを用いて達成。

ABSTRACT

We propose and demonstrate an architecture for fluxonium-fluxonium two-qubit gates mediated by transmon couplers (FTF, for fluxonium-transmon-fluxonium). Relative to architectures that exclusively rely on a direct coupling between fluxonium qubits, FTF enables stronger couplings for gates using non-computational states while simultaneously suppressing the static controlled-phase entangling rate ($ZZ$) down to kHz levels, all without requiring strict parameter matching. Here we implement FTF with a flux-tunable transmon coupler and demonstrate a microwave-activated controlled-Z (CZ) gate whose operation frequency can be tuned over a 2 GHz range, adding frequency allocation freedom for FTF's in larger systems. Across this range, state-of-the-art CZ gate fidelities were observed over many bias points and reproduced across the two devices characterized in this work. After optimizing both the operation frequency and the gate duration, we achieved peak CZ fidelities in the 99.85-99.9\% range. Finally, we implemented model-free reinforcement learning of the pulse parameters to boost the mean gate fidelity up to $99.922\pm0.009\%$, averaged over roughly an hour between scheduled training runs. Beyond the microwave-activated CZ gate we present here, FTF can be applied to a variety of other fluxonium gate schemes to improve gate fidelities and passively reduce unwanted $ZZ$ interactions.

研究の動機と目的

• 静的 ZZ カップリングを低減しつつ、強力で制御可能な2量子ビット相互作用を可能にすることで、スケーラブルな超伝導量子ビットプロセッサの推進を動機づける。
• tunable transmon coupler が fluxonium-qubit 相互作用を媒介する FTF 回路を提案し、実装する。
• 操作周波数を2 GHz幅で tunable にし、マイクロ波活性化 CZ ゲートを高忠実度で実証する。
• デバイス間および製造パラメータ全体にわたる ZZ 打ち消しの頑健性を示し、2D平面配置でミリ秒級の fluxonium 寿命を示す。

提案手法

• 非計算状態をゲートの資源として含め、2つの fluxonium が接地された transmon coupler に結合された FTF 系をモデル化する。
• 4次摂動理論と coupler を介した仮想遷移による ZZ 抑制を説明する。
• 非計算状態遷移を駆動して（例: 101 から 201/111/102 へ）180 位相を蓄積することで、マイクロ波活性化 CZ ゲートを較正・実装する。
• 単一・二量子ビットゲートのために interleaved Clifford ランダム化ベンチマーキングでゲート忠実度を表征する。
• coupler flux をスイープしてCZ を2 GHzの駆動周波数範囲で動作させることで周波数柔軟性を検討する。
• モデルフリーの強化学習を適用して、パルス形状と仮想-Z補正を最適化し、平均ゲート忠実度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的 ZZ 相互作用を抑制しつつ、強力で tunable な2量子ビット結合を提供する fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) アーキテクチャは実現できるか？
• RQ2 動作周波数範囲に渡って、FTF におけるマイクロ波活性化ゲートでどの CZ ゲート忠実度が達成できるか？
• RQ3 パラメータ変動やデバイス間差異に対する ZZ 打ち消しの頑健性はどの程度か？
• RQ4 物理に基づく較正を超えて、強化学習は CZ ゲート忠実度をさらに向上させることができるか？
• RQ5 非計算状態の参加と coupler のデタuning によってゲート性能はどう拡張/スケールするか？

主な発見

• FTF は非計算状態を介して強い結合を達成しつつ、静的 ZZ を kHz レベルの範囲に抑制する。
• CZ ゲート忠実度は2 GHzの駆動周波数範囲で最大 99.85–99.9% に達し、2 台のデバイスで実証。
• 訓練後、50–85 ns領域で平均 CZ 忠実度を 99.922 ± 0.009% に改善する、モデルフリーの強化学習。
• 18 ns ゲートで単一量子ビットゲート忠実度はほぼ 99.99% 以上；同時ゲートでは低 ZZ により忠実度損失が 5×10^-5 未満を示す。
• Fluxonium qubits は2D平面ジオメトリでミリ秒スケールの T1 時間を示し、より大規模システムで高いコヒーレンスを示唆。
• デバイス B（異なるハミルトニアンパラメータ）は同様のゲート性能を示し、アーキテクチャの頑健性を裏付ける。