[論文レビュー] Long-distance transmon coupler with CZ gate fidelity above $99.8\%$

Fabian Marxer, Antti Vepsäläinen+37 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、浮遊トランスモンカップラーと波導拡張素子を用いた長距離チューナブルカップラー構造を提案し、2 mm以上の間隔を空けた超伝導キュービット間で高精度なCZゲートを実現することを可能にする。直接的な静電容量結合ではなく波導を介してカップリングを媒介することで、50 MHzを超えるカップリング強度を維持し、非近隣相互作用を低減するとともに、個々のキュービット読み出し共鳴器とパーセルフィルターの実装を可能とし、CZゲートの精度は99.81 ± 0.02%に達した。

ABSTRACT

Tunable coupling of superconducting qubits has been widely studied due to its importance for isolated gate operations in scalable quantum processor architectures. Here, we demonstrate a tunable qubit-qubit coupler based on a floating transmon device which allows us to place qubits at least 2 mm apart from each other while maintaining over 50 MHz coupling between the coupler and the qubits. In the introduced tunable-coupler design, both the qubit-qubit and the qubit-coupler couplings are mediated by two waveguides instead of relying on direct capacitive couplings between the components, reducing the impact of the qubit-qubit distance on the couplings. This leaves space for each qubit to have an individual readout resonator and a Purcell filter needed for fast high-fidelity readout. In addition, the large qubit-qubit distance reduces unwanted non-nearest neighbor coupling and allows multiple control lines to cross over the structure with minimal crosstalk. Using the proposed flexible and scalable architecture, we demonstrate a controlled-$Z$ gate with $(99.81 \pm 0.02)\%$ fidelity.

研究の動機と目的

• チューナブルカップラー構造における短いキュービット間隔の制限が引き起こす高次の不要な非近隣カップリングを克服すること。
• キュービット間の物理的距離を拡大することでスケーラブルな量子プロセッサ設計を実現し、強力でチューナブルなカップリングを維持すること。
• キュービット間隔を拡大することで、制御ラインからのクロストークを低減し、個々のキュービット読み出し共鳴器とパーセルフィルターの実装を可能とすること。
• 大きなキュービット間隔と最小限の静的ZZ相互作用を有するシステムで、高精度な2キュービットゲート（特にCZ）を実現すること。
• 波導を介したカップリングが長距離にわたり高いカップリング強度とゲート精度を維持できることを示し、より柔軟なチップレイアウトを可能とすること。

提案手法

• 外部フラックスによるチューニングが可能な浮遊トランスモンカップラーを実装し、キュービットカップリングの動的制御を可能とする。
• 直接的な静電容量結合の代わりに、波導拡張素子を介してカップラーとキュービット間のカップリングを媒介することで、カップリング強度をキュービット距離から分離する。
• 波導拡張素子に起因する有効な集中定数コンデンサを有する準ラumped-要素回路モデルを設計し、カップリング強度をシミュレーションする。
• キュービットとカップラーを下部チップに配置し、制御ラインを上部チップの長大な垂直方向伝送線路を介して上方に渡すフラップチップアーキテクチャを採用する。
• さまざまな交差位置における部品と伝送線路間の静電容量カップリング比を計算することで、クロストークをシミュレートおよび最適化する。
• 数値シミュレーションを用いて非近隣カップリング（例：g13）を評価し、制御ラインルーティングに適した低クロストーク領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チューナブルカップラーは、少なくとも2 mmのキュービット間隔においても50 MHzを超える高いカップリング強度を維持できるか？
• RQ2 直接的な静電容量結合と比較して、波導を介したカップリングは不要な非近隣相互作用を顕著に低減するか？
• RQ3 2 mmの間隔を空けたキュービットアーキテクチャに、個々のキュービット読み出し共鳴器とパーセルフィルターを統合できるか、ゲート精度に悪影響を及げないか？
• RQ4 最小限の静的ZZ相互作用を有する長距離カップラー構造で、達成可能なCZゲート精度はどの程度か？
• RQ5 カップラーのフラックスチューニング特性およびコherencesが、特にスイートスポット付近でゲート精度に与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたカップラー設計は、キュービット間距離が1960 µmである状態でも、カップラーと各キュービット間で50 MHzを超えるカップリング強度を維持している。
• 測定されたCZゲート精度は99.81 ± 0.02%に達し、99.8%のしきい値を上回っており、高精度な2キュービット操作を実証した。
• シミュレーションにより、キュービット間距離を拡大することで不要な次近隣カップリング（g13）が顕著に低減され、ゲート選択性が向上することが示された。
• 波導を介したカップリング構造により、複数の制御ラインが構造を横切っても静電容量カップリング比のシミュレーションで最小限のクロストークが確認された。
• カップルドモードの有効なデcohエレント時間は、非結合キュービットおよびカップラーのコherences時間の重み付き平均を用いて計算され、高いゲート精度を支持した。
• 3.8 GHzに鋭いデコherences特徴が観測され、これはスペクトル的に活性な2準位系（TLS）に起因すると特定されたが、ゲート性能に顕著な悪影響を及げなかった。