[論文レビュー] High-fidelity parametric beamsplitting with a parity-protected converter

Yao Lu, Aniket Maiti+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 69被引用数 7

ひとこと要約

論文は、差分駆動のパリティ保護DC-SQUID変換器を用いて、2つの高Qマイクロ波腔の高速・高忠実度パラメトリックビームスプリッターを示し、カプラ導入によるデコヒーレンスを抑制しつつビームスプリッター忠実度を99.98%以上達成。

ABSTRACT

Fast, high-fidelity operations between microwave resonators are an important tool for bosonic quantum computation and simulation with superconducting circuits. An attractive approach for implementing these operations is to couple these resonators via a nonlinear converter and actuate parametric processes with RF drives. It can be challenging to make these processes simultaneously fast and high fidelity, since this requires introducing strong drives without activating parasitic processes or introducing additional decoherence channels. We show that in addition to a careful management of drive frequencies and the spectrum of environmental noise, leveraging the inbuilt symmetries of the converter Hamiltonian can suppress unwanted nonlinear interactions, preventing converter-induced decoherence. We demonstrate these principles using a differentially-driven DC-SQUID as our converter, coupled to two high-Q microwave cavities. Using this architecture, we engineer a highly-coherent beamsplitter and fast ($\sim$ 100 ns) swaps between the cavities, limited primarily by their intrinsic single-photon loss. We characterize this beamsplitter in the cavities' joint single-photon subspace, and show that we can detect and post-select photon loss events to achieve a beamsplitter gate fidelity exceeding 99.98$\%$, which to our knowledge far surpasses the current state of the art.

研究の動機と目的

• マイクロ波共振器間のボゾン量子計算・シミュレーション用の高速・高忠実度の2モード相互作用を動機づける。
• 従来のビームスプリッターを制限している寄生過程と駆動によるデコヒーレンスに対処する。
• 対称性（パリティ保護）と差分駆動を活用して望ましくない非線形相互作用を抑制する。
• コヒーレンスが主に固有光子損失に制約される高Q腔間のビームスプリッターを実証する。

提案手法

• 対称DC-SQUID（パリティ保護）を非線形変換器として用いきつく高Q腔を結合する。
• 差分的に変換器をバッファ（λ/4モード）を介して駆動し、共振可能で可調なビームスプリッターを実装する。
• g_BSがJ1(|φ_d1|)J1(|φ_d2|)に比例し Δ_BS = Δ_ab − Δ_d + Δ_Z,ab となるビームスプリッターハミルトニアンを導出する。
• カプラを基底状態に保ち、駆動誘起励起を抑制するよう差分駆動を設計する。
• ジョイント単一光子部分空間（デュアルレール量子ビット）で性能を特徴づけ、リーケージ検出を伴うランダム化ベンチマークを実施する。
• κ_BSとg_BSからデコヒーアンス制約忠実度を推定し、ゲート性能を評価する。

Figure 1: The differentially driven SQUID as a parity protected converter. a , The symmetric DC-SQUID contains two orthogonal modes SQUIDModesLecocq2011 ; KamalSQUIDModes , the common mode (coupler) and the differential mode (actuator). We selectively couple the former to two bosonic modes and the l

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パリティ保護された差分駆動変換器は、2つの高Q腔間で高速かつ高忠実度のビームスプリットを可能にするか。
• RQ2 パラメトリックビームスプリットを行う際の支配的デコヒーレンスチャネルは何か、対称性抑制はカプラ誘起の誤差を緩和できるか。
• RQ3 現実的な駆動強度と損失の下で、単一光子（デュアルレール）部分空間でビームスプリッターはどう機能するか。
• RQ4 光子喪失イベントに対する事後選択は実効ゲート忠実度をどの程度改善できるか。
• RQ5 このアプローチは他のボゾンモードや示されたデュアルレールビームスプリッターを超える多モード操作へスケール可能か。

主な発見

• ビームスプリッターは作動点で g_BS/2π > 5 MHz を達成。
• デコヒーレンス制約忠実度は駆動強度の範囲で99.9%以上を超える。
• 駆動振幅が作動点まで上昇してもカプラ励起は無視できる程度に留まり、駆動に伴う単調な増加は見られない。
• カプラの加熱はスワップあたり約4×10^−5励起以下に抑制され、非駆動背景レベルと整合している。
• 生データのランダム化ベンチマークでは、選択されないビームスプリッター忠実度が99.941(1)%、リーケージ検出忠実度が99.985(1)%となる。
• 忠実度は最終的にキャビティ光子損失によって制限され、ボゾン符号化に有利なノイズバイアスを保持。

Figure 2: Beamsplitting with the differentially-driven SQUID. a , Beamsplitting implements an effective driven Rabi evolution in the Bloch sphere of the dual-rail qubit formed by the single photon subspace Alice and Bob, where decay can be detected by monitoring the vacuum state. b , Resonant evolut