[論文レビュー] Mitigating coherent leakage of superconducting qubits in a large-scale quantum socket

Thomas McConkey, J. H. Béjanin+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、大規模な量子ソケットにおける三次元ワイヤーを用いて、不要なキャビティモードをキュービット周波数から周波数デチューニングすることで、超伝導キュービットにおけるコherent漏れ誤差を低減する2つの手法—半波フェンスリングとアンチノードピン留め—を提案する。シミュレーションにより、これらの手法はコherent漏れを約10⁻⁵まで低減することが示され、非コherent誤差率よりも顕著に低い水準にまで低下する。これにより、100個以上のキュービットを用いたスケーラブルな量子コンピューティングが可能になる。

ABSTRACT

A practical quantum computer requires quantum bit (qubit) operations with low error rates in extensible architectures. We study a packaging method that makes it possible to address hundreds of superconducting qubits by means of three-dimensional wires: The large-scale quantum socket. A qubit chip is housed in a superconducting box, where both box and chip dimensions lead to unwanted modes that can interfere with qubit operations. We theoretically analyze these interference effects in the context of qubit coherent leakage. We propose two methods to mitigate the resulting errors by detuning the resonance frequency of the modes from the qubit frequency. We perform detailed electromagnetic field simulations indicating that the resonance frequency of the modes increases with the number of installed three-dimensional wires and can be engineered to be significantly higher than the highest qubit frequency. Finally, we show preliminary experimental results towards the implementation of a large-scale quantum socket.

研究の動機と目的

• パッケージングにおける不要なキャビティモードが原因で生じる大規模な超伝導キュービットアーキテクチャにおけるコherent漏れ誤差を是正すること。
• 3次元ワイヤーを用いた制御およびシールド機能を備えたスケーラブルなパッケージングソリューション—大規模量子ソケット—を構築すること。
• キュービット操作に用いられる同じワイヤーを用いて、キャビティモードの周波数をキュービット周波数からデチューニングすることで、コherent誤差を低減すること。
• シミュレーションおよび予備実験を通じて、3次元ワイヤーがパラサイトモードへの漏れを抑える一方でキュービット制御も可能であることを実証すること。
• コherent誤差を非コherent誤差の閾値以下にまで低減することで、誤り耐性のある量子コンピューティングを実現すること。

提案手法

• 論文は、量子ソケットの金属的封止部内における不要なキャビティモードへの結合によって引き起こされるデポラライジングチャネルとしてコherent漏れをモデル化する。
• 半波フェンスリングを提案：3次元ワイヤーを半波長間隔に配置することで、qubit位置におけるモード振幅を干渉による破壊的干渉で抑制する。
• アンチノードピン留めを導入：不要なモードのアンチノードにワイヤーを配置することで、その共鳴周波数をキュービット周波数からずらす。
• 電磁界シミュレーションを用いて、Xmonトランモンキュービットがキャビティモードに結合する状況をモデル化し、モード周波数を変化させるためにワイヤーの配置と幾何形状を最適化する。
• キュービット制御に用いられる同じ3次元ワイヤーを活用し、モードスペクトルを設計することで、キュービットを漏れから同時に隔離する。
• ワイヤーを超伝導ビアに置き換えることで、チップモードおよび誘電体基板モードに対しても一般化され、周波数デチューニングが維持される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ソケット内の三次元ワイヤーは、同時にキュービット制御と不要なキャビティモードへのコherent漏れの抑制を可能にするか？
• RQ2 パッケージ内に設置された3次元ワイヤーの数が、パラサイトモードの共鳴周波数にどのように影響するか？
• RQ3 半波フェンスリングおよびアンチノードピン留めは、大規模量子ソケットにおいてどれほどコherent漏れ誤差を低減できるか？
• RQ4 キュービット減衰、Purcell効果、および周波数デチューニング手法の有効性との関係は何か？
• RQ5 同じワイヤー基盤の手法は、スケーラブルな超伝導キュービットアーキテクチャにおいてボックスモードとチップモードの両方を低減可能か？

主な発見

• 不要なキャビティモードの共鳴周波数は、設置された3次元ワイヤーの数が増えるにつれて上昇し、最高のキュービット周波数よりもはるかに高い周波数にモードをエンジニアリング可能である。
• 半波フェンスリングおよびアンチノードピン留めは、キャビティモードをキュービット周波数からデチューニングすることで、コherent漏れを効果的に抑制し、誤差率を約10⁻⁵まで低減する。
• シミュレーションにより、250本の三次元ワイヤーがコherent漏れ誤差率を約10⁻⁵まで低下させられ、通常の非コherent誤差率よりも顕著に低いことが確認された。
• 3次元ワイヤーは二重の役割を果たす：キュービット制御を可能にすると同時に、パラサイトモードに対する電磁的シールドを提供する。
• 周波数シフト手法は、ワイヤーを超伝導ビアに置き換えることで、ボックスモードおよびチップモード（誘電体基板モードを含む）の両方へ適用可能である。
• 予備の実験結果により、戦略的なワイヤー配置が大規模量子ソケットにおける不要なモードに対する効果的な電気的シールドを形成できることを示した。