[論文レビュー] Mitigating information leakage in a crowded spectrum of weakly anharmonic qubits

Visa Vesterinen, O.-P. Saira+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、周波数が密集し、弱い非調和性を示すトランスモン量子ビットにおいて、Wah-Wah制御——DRAGとサイドバンド変調を組み合わせた解析的パルス形状技術——が、内部および外部の漏れを効果的に抑制することを実験的に示している。16ナノ秒のゲート時間でさえも、共通のフィードラインを介したデcohrence制限の交互単量子ビット制御を実現し、1ステップあたり平均1%未満の誤差を達成しており、標準的なDRAGに比べてクロストーク抑制性能が優れており、量子ビットの待機時の忠実度を維持している。

ABSTRACT

A challenge for scaling up quantum processors using frequency-crowded, weakly anharmonic qubits is to drive individual qubits without causing leakage into non-computational levels of the others, while also minimizing the number of control lines. To address this, we implement single-qubit Wah-Wah control in a circuit QED processor with a single feedline for all transmon qubits, operating at the maximum gate speed achievable given the frequency crowding. Randomized benchmarking and quantum process tomography confirm alternating qubit control with $\leq$1% average error per computational step and decoherence-limited idling of one qubit while driving another with a Wah-Wah pulse train.

研究の動機と目的

• 複数の量子ビットを1本の制御ラインで駆動する際、周波数が密集し、弱い非調和性を示す超伝導量子ビットにおける情報漏れの課題に対処すること。
• 高周波数の密集状態において、標準的なDRAGパルスが隣接する量子ビットの非計算状態への漏れを顕著に引き起こすという制限を克服すること。
• サイドバンド変調と4つの調整可能なパrameterを有するWah-Wah制御が、量子ビット間周波数デチューニングが定める物理的限界に近いゲート速度を達成できることを示すこと。
• 隣接する量子ビットが高速パルスで駆動されている間、未指定の量子ビットのデコherence制限の待機状態が維持されることを検証すること。

提案手法

• 著者らは、同調成分と直交成分にそれぞれガウス型およびその微分型のエンベロープを組み合わせ、さらに漏れ抑制のための追加的なサイドバンド変調を施した4パrameterの解析的パルス形状を実装した。
• 1本の共有フィードラインを用いた2次元の回路QEDアーキテクチャを用い、制御ライン数を最小限に抑えつつクロストークを最大化した。
• 系ハミルトニアンの簡単なモデルを用いてパラメータ（非調和性、遷移周波数など）を独立して測定した結果に基づき、パルス最適化を加速した。
• 平均ゲート誤差を測定するために、交互に量子ビットを制御するランダム化ベンチマーク（RB）を採用し、仮想Zゲート補償により制御不正確さを分離した。
• 未指定の量子ビットの時間発展の忠実度を測定するため、量子プロセストモグラフィー（QPT）を用いた。
• ストロボスコピックな状態分布測定を実施し、DRAGおよびWah-Wahパルス下での未指定量子ビットの第3励起状態への漏れを直接観測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Wah-Wah制御は、1本のフィードラインを用いた周波数が密集した超伝導量子ビット系において、内部および外部の両方の漏れを抑制できるか？
• RQ2 隣接する量子ビットが高速パルスで駆動されている間、Wah-Wah制御は未指定量子ビットのデコherence制限の待機状態を維持できるか？
• RQ3 同一のゲート時間において、Wah-Wah制御と標準的なDRAGとの間で、平均ゲート誤差および漏れの観点から性能を比較するとどうなるか？
• RQ4 4パラメータの解析的パルス形状は実用的に効率的に最適化可能であり、量子ビット間周波数デチューニングが定める物理的限界に近いゲート速度を達成できるか？
• RQ5 16ナノ秒という短いゲート時間でも、未指定量子ビットの時間発展の忠実度はWah-Wahパルスによって保持されるか？

主な発見

• Wah-Wah制御は、未指定量子ビットの外部漏れを無視できる程度にまで低減し、パルス終了時点ですべての状態が計算サブスペースに戻る。これに対してDRAGは顕著な第3励起状態への人口を誘発する。
• Wah-Wahパルスを用いた交互単量子ビット制御では、1ステップあたり平均1.0%未満の誤差が達成され、誤差率はデコherence制限のベースラインと区別できない。
• 他の量子ビットをWah-Wahパルスで駆動している間の未指定量子ビットの平均ゲート忠実度は、真の待機状態とほぼ同一であり、デコherence制限の動作が確認された。
• 16ナノ秒、20ナノ秒、24ナノ秒のゲート時間において、Wah-Wah制御下での未指定量子ビットの忠実度は真の待機状態と実験的不確実性の範囲内で一致するが、DRAGによる劣化はゲート時間が短くなるほど悪化する。
• 量子プロセストモグラフィーにより、DRAG下での待機忠実度の低下が、不完全なダイナミカルデカップリングやZゲート補償によるものではなく、漏れ誘発によるものであることが確認された。
• 4パラメータのWah-Wahパルス形状は、最適化において実用的かつ効果的であることが示され、混雑した周波数スペクトルにおいても専用の制御ラインを必要とせずに高忠実度制御を実現できる。