[論文レビュー] High-fidelity iToffoli gate for fixed-frequency superconducting qubits

Yosep Kim, Alexis Morvan+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、固定周波数超伝導キュービットの直線的3キュービットチェーンに同時にマイクロ波パルスを印加することで、クロスレゾネンス効果を活用し、98.26(2)%のプロセス fidelity を達成する高精度な iToffoli ゲートを実装している。このゲートは量子計算の普遍性を実現し、2キュービット相互作用を用いた効率的な多キュービットゲート合成への道筋を提供する。

ABSTRACT

The development of noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices has extended the scope of executable quantum circuits with high-fidelity single- and two-qubit gates. Equipping NISQ devices with three-qubit gates will enable the realization of more complex quantum algorithms and efficient quantum error correction protocols with reduced circuit depth. Several three-qubit gates have been implemented for superconducting qubits, but their use in gate synthesis has been limited due to their low fidelity. Here, using fixed-frequency superconducting qubits, we demonstrate a high-fidelity iToffoli gate based on two-qubit interactions, the so-called cross-resonance effect. As with the Toffoli gate, this three-qubit gate can be used to perform universal quantum computation. The iToffoli gate is implemented by simultaneously applying microwave pulses to a linear chain of three qubits, revealing a process fidelity as high as 98.26(2)%. Moreover, we numerically show that our gate scheme can produce additional three-qubit gates which provide more efficient gate synthesis than the Toffoli and Toffoli gates. Our work not only brings a high-fidelity iToffoli gate to current superconducting quantum processors but also opens a pathway for developing multi-qubit gates based on two-qubit interactions.

研究の動機と目的

• 固定周波数超伝導キュービット向けに高忠実度の3キュービットゲートを開発し、量子回路の深さ効率を向上させること。
• 現在の NISQ デバイスにおける低忠実度な3キュービットゲートの制限を克服し、実用的な量子アルゴリズム実行を可能にすること。
• より高い忠実度とスケーラビリティを備えた Toffoli ゲートに相当するゲートの実装により、普遍量子計算を実現すること。
• 2キュービット相互作用、特にクロスレゾネンス効果の可能性を検討し、高忠実度の多キュービットゲートを生成すること。
• 新規な3キュービットゲート設計を用いて、より少ないゲート数で効率的な量子回路を合成するスケーラブルなフレームワークを提供すること。

提案手法

• iToffoli ゲートは、固定周波数超伝導キュービットの直線的3キュービットチェーンに同時にマイクロ波パルスを印加することで実装されている。
• ゲートはキュービット間のクロスレゾネンス相互作用に依存し、制御されたエンタングルメントを介して3キュービット論理演算を実現している。
• パルスシーケンスはクロストークとゲート誤差を最小限に抑えるように最適化され、高プロセス忠実度を確保している。
• 数値シミュレーションを用いてゲートのパrameter空間を探索し、ゲート合成効率が向上した追加の3キュービットゲート変種の同定を実施している。
• ゲート設計は、クロスレゾネンスハミルトニアンから導かれるユニタリ推移に基づいており、制御された条件付き操作を可能としている。
• プロセス忠実度は、ランダム化ベンチマークと量子プロセストロポグラフィーを用いて評価され、性能の妥当性が検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定周波数超伝導キュービットで、2キュービット相互作用のみを用いて高忠実度 iToffoli ゲートを実装可能か？
• RQ2 クロスレゾネンスパルスを用いた直線的キュービットチェーンにおける3キュービットゲートで達成可能な最大プロセス忠実度は何か？
• RQ3 提案されたゲート方式は、Toffoli ゲートと比較してゲート合成効率が向上する代替3キュービットゲートを生成可能か？
• RQ4 3キュービットにわたる同時パルス印加が、超伝導アーキテクチャにおけるゲート忠実度とクロストークに与える影響は何か？
• RQ5 2キュービット相互作用をどれほど活用することで、普遍的な多キュービット量子操作を実装できるか？

主な発見

• iToffoli ゲートは98.26(2)%のプロセス忠実度を達成し、超伝導キュービットプラットフォームにおける高忠実度動作を実証した。
• ゲートは3体結合を必要とせず、2キュービットのクロスレゾネンス相互作用のみを用いて実装されている。
• 数値解析により、量子回路合成の効率が向上した追加の3キュービットゲートをこの方式で生成可能であることが確認された。
• 高忠実度は、最適化されたパルス形状と同時に制御することで、デ coherent とクロストークを低減したことに起因する。
• ゲート設計はスケーラブルであり、固定周波数キュービットを用いた既存の超伝導量子プロセッサと互換性がある。
• 2キュービット相互作用を用いて高忠実度で普遍的な3キュービット操作を実装可能なことが、結果から裏付けられた。