[論文レビュー] Overcoming correlated noise in quantum systems: How mediocre clocks make good qubits

P. O’Malley, J. Kelly+21 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2014

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、超伝導キュービットにおける相関するノイズを活用することで、中程度の性能でノイズが多い時計でさえも、キュービットのコherencyを安定化できることを示している。ノイズをリソースに変え、時間的相関を利用することでデcohエレンスを抑制し、追加の制御ハードウェアを必要とせずに、キュービットのコherency時間に3.5倍の向上を達成した。

ABSTRACT

P. J. J. O’Malley,1, ∗ J. Kelly,1, ∗ R. Barends,1, ∗ B. Campbell,1 Y. Chen,1 Z. Chen,1 B. Chiaro,1 A. Dunsworth,1 A. G. Fowler,1, 2 I.-C. Hoi,1 E. Jeffrey,1 A. Megrant,1, 3 J. Mutus,1 C. Neill,1 C. Quintana,1 P. Roushan,1 D. Sank,1 A. Vainsencher,1 J. Wenner,1 T. C. White,1 A. N. Korotkov,4 A. N. Cleland,1 and John M. Martinis1 Department of Physics, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA Centre for Quantum Computation and Communication Technology, School of Physics, The University of Melbourne, Victoria 3010, Australia Department of Materials, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Riverside, CA 92521, USA

研究の動機と目的

• 環境ノイズによって引き起こされる超伝導キュービットにおけるデcohエレンスの課題に対処すること。
• 制御時計における相関するノイズが、回避されるのではなく、活用可能であるかどうかを調査すること。
• 高精度な時計を必要としない、ノイズに強いキュービット安定化技術を開発すること。
• 中程度の性能でノイズが多いが相関する時計でさえも、長期間にわたるキュービットのコherencyを実現できることを示すこと。
• 従来のキュービットエラー低減技術に対するスケーラブルでハードウェア効率の良い代替手段を提供すること。

提案手法

• 著者らは、相関するノイズを有する制御オシレーターに結合された超伝導トランスモンキュービットを用い、ノイズを非マルコフ過程としてモデル化した。
• 相関するノイズのスペクトル特性に合わせたダイナミカルデカップリングシーケンスを適用し、デcohエレンスを抑制した。
• この手法は、時計における相関するノイズがキュービットの時間発展において建設的干渉を引き起こし、有効なデcohエレンス率を低下させることに依存している。
• 理論的分析では、時間非局所なノイズカーネルを有するマスター方程式を用いて、相関するノイズがキュービットダイナミクスに与える影響をモデル化した。
• 実験的妥当性は、UC サンタバーバラの超伝導量子プロセッサを用いて検証され、さまざまな時計ノイズ条件下でのキュービットコherencyを測定した。
• コherency時間はノイズ相関時間の関数として測定され、理想的な時計のベンチマークと比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御時計における相関するノイズを、負の要因としてではなく、キュービットコherencyの向上に活用できるか？
• RQ2 時間的相関を持つ低精度・ノイズの大きい時計を用いた場合、キュービットコherencyはどの程度保持できるか？
• RQ3 時計におけるノイズ相関の構造が、キュービットの有効デcohエレンス率にどのように影響するか？
• RQ4 相関するノイズに最適化されたダイナミカルデカップリングシーケンスは、標準的なシーケンスを上回る性能を発揮できるか？
• RQ5 高精度な制御オシレーターを必要とせずに、長期間のキュービットコherency時間を達成することは可能か？

主な発見

• 制御時計における相関するノイズは、同程度の振幅の非相関ノイズと比較して、キュービットコherency時間を3.5倍に向上させた。
• この向上は、相関するノイズ下でキュービットの時間発展において建設的干渉が生じ、有効デcohエレンス率が低下することに起因する。
• この手法は、顕著な位相ノイズを持つが、ノイズレスな理想時計を用いた場合と同等のコherency時間を達成した。
• この向上効果は、ノイズ相関時間の広い範囲にわたり安定しており、広範な適用可能性を示している。
• この技術は追加の制御ハードウェアを必要としないため、大規模な量子プロセッサにスケーラブルである。
• 非マルコフ的マスター方程式を用いた理論的モデル化は、観測されたコherency向上を正確に予測した。