[論文レビュー] High-Fidelity Qutrit Entangling Gates for Superconducting Circuits

Noah Goss, Alexis Morvan+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、固定周波数トランモンキューブトロンに差動ACスターリングシフトを用いた高精度な2キューブトロンエンタングルゲートを提示している。これにより、動的でマイクロ波駆動型のクロスケル相互作用が可能となり、CZ†ゲートのプロセス保証度が97.3(1)%、CZゲートが95.2(3)%に達し、従来のトランモンベースのキューブトロンゲートに比べ顕著に向上した。この成果により、エラー耐性量子計算に適した効率的でユニバーサルなクリフォードゲート生成が可能になった。

ABSTRACT

Ternary quantum information processing in superconducting devices poses a promising alternative to its more popular binary counterpart through larger, more connected computational spaces and proposed advantages in quantum simulation and error correction. Although generally operated as qubits, transmons have readily addressable higher levels, making them natural candidates for operation as quantum three-level systems (qutrits). Recent works in transmon devices have realized high fidelity single qutrit operation. Nonetheless, effectively engineering a high-fidelity two-qutrit entanglement remains a central challenge for realizing qutrit processing in a transmon device. In this work, we apply the differential AC Stark shift to implement a flexible, microwave-activated, and dynamic cross-Kerr entanglement between two fixed-frequency transmon qutrits, expanding on work performed for the $ZZ$ interaction with transmon qubits. We then use this interaction to engineer efficient, high-fidelity qutrit CZ$^†$ and CZ gates, with estimated process fidelities of 97.3(1)% and 95.2(3)% respectively, a significant step forward for operating qutrits on a multi-transmon device.

研究の動機と目的

• 固定周波数トランモンキューブトロンにおいて、静的またはサブスペース制限付きの相互作用に起因する制限を克服した高精度な2キューブトロンエンタングルゲートの開発。
• 固定周波数トランモンにおける差動ACスターリングシフトを活用し、動的で調整可能かつ高精度なエンタングルメントを実現。
• 量子誤り訂正に適した、ユニバーサルで最大エンタングルメントを示すクリフォードゲート（CZおよびCZ†）の実証。
• エンタングルゲート相互作用の大きなオン/オフ比を活かし、同時に単一キューブトロンおよび2キューブトロン操作を実現可能に。
• サイクルおよびクロスエントロピーベンチマークを用いた、クイジット系におけるゲート性能を検証するためのベンチマーク手法の一般化。

提案手法

• 固定周波数トランモンキューブトロン2つに差動ACスターリングシフトを適用し、静的結合を介して動的クロスケル相互作用を誘発。
• マイクロ波駆動を用いてキューブトロン準位を調整し、エンタングルフェーズを動的に活性化することで、静的結合の制限を回避。
• 駆動振幅および周波数の精密制御により、制御位相ゲート（CZ）およびその逆（CZ†）を生成するように相互作用を設計。
• サイクルベンチマークおよびクイジット系に特化した一般化されたクロスエントロピーベンチマーク手順を用いて、プロセス保証度を測定。
• 数値シミュレーションにより、このゲート方式が追加の2キューブトロンクリフォードゲートを効率的に生成できることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定周波数トランモンキューブトロンにおいて、動的でマイクロ波駆動型のエンタングル相互作用を設計し、高精度な2キューブトロンゲートを実現可能か？
• RQ2 差動ACスターリングシフトは、チューナブルなキューブトロンや複雑な結合素子を必要とせずに、調整可能で高精度なエンタングルメントをどのように実現するか？
• RQ3 本手法を用いたマルチキューブトロントランモンプロセッサにおいて、CZおよびCZ†ゲートの達成可能なプロセス保証度はどの程度か？
• RQ4 本ゲート方式は、その大きなオン/オフ比のおかげで、同時に単一および2キューブトロン操作をサポート可能か？
• RQ5 本ゲートアーキテクチャは、クイジット量子計算における他の2キューブトロンクリフォードゲートの生成にスケーラブルかつ効率的か？

主な発見

• CZ†ゲートは97.3(1)%のプロセス保証度を達成し、従来の2キューブトロントランモンゲートと比較して不正確性が4分の1にまで低減された。
• CZゲートは95.2(3)%のプロセス保証度を達成し、スケーラブルな超伝導キューブトロンアーキテクチャにおける高精度なエンタングルメントを実証した。
• 差動ACスターリングシフトにより、大きなオン/オフ比を有する動的で調整可能かつ高精度なエンタングルゲート相互作用が実現可能となり、将来的な同時操作が可能になった。
• 数値的実証により、このゲート方式は追加の2キューブトロンクリフォードゲートを効率的に生成できることを示し、ユニバーサルなクイジット計算を支援した。
• サイクルおよび一般化されたクロスエントロピーベンチマークを含むベンチマークフレームワークは、クイジット系におけるゲート性能の検証に成功した。