[論文レビュー] Programmable Heisenberg interactions between Floquet qubits

Long B. Nguyen, Yosep Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 49被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、固定周波数の超伝導回路におけるフロケqubit間のプログラマブルなハイゼンベルク相互作用を、時間周期的なマイクロ波駆動を用いて静的トランモンqubitを断続的にフロケqubitに写像することで実現した。著者らは完全に調整可能なXXZ異方性を達成し、高精度なiSWAP（99.32%）、CZ（99.72%）、SWAP（98.93%）ゲートに加え、96.18%の精度で三量子ビットCCZゲートを実装し、高コherenceプラットフォーム上でロバストで高性能な量子操作を可能にした。

ABSTRACT

The fundamental trade-off between robustness and tunability is a central challenge in the pursuit of quantum simulation and fault-tolerant quantum computation. In particular, many emerging quantum architectures are designed to achieve high coherence at the expense of having fixed spectra and consequently limited types of controllable interactions. Here, by adiabatically transforming fixed-frequency superconducting circuits into modifiable Floquet qubits, we demonstrate an XXZ Heisenberg interaction with fully adjustable anisotropy. This interaction model is on one hand the basis for many-body quantum simulation of spin systems, and on the other hand the primitive for an expressive quantum gate set. To illustrate the robustness and versatility of our Floquet protocol, we tailor the Heisenberg Hamiltonian and implement two-qubit iSWAP, CZ, and SWAP gates with estimated fidelities of 99.32(3)%, 99.72(2)%, and 98.93(5)%, respectively. In addition, we implement a Heisenberg interaction between higher energy levels and employ it to construct a three-qubit CCZ gate with a fidelity of 96.18(5)%. Importantly, the protocol is applicable to various fixed-frequency high-coherence platforms, thereby unlocking a suite of essential interactions for high-performance quantum information processing. From a broader perspective, our work provides compelling avenues for future exploration of quantum electrodynamics and optimal control using the Floquet framework.

研究の動機と目的

• 超伝導qubitアーキテクチャにおけるコヒーレンスとチューナビリティの間の根本的トレードオフを克服すること。
• 長寿命コヒーレンスを有する固定周波数プラットフォームで、プログラマブルでチューナブルな相互作用を可能にすること。
• フロケ工学を用いて完全に調整可能なXXZハイゼンベルク相互作用を実装し、ユニバーサル量子ゲートセットを実現すること。
• 設計された相互作用を用いて高精度な2量子ビットおよび3量子ビットゲートを実装すること。
• 高コヒーレンスプラットフォームにおいて、デコherenceおよび非断続的効果に対するプロトコルのロバスト性を検証すること。

提案手法

• 時間周期的なマイクロ波駆動を用いて、静的結合トランモンqubitを断続的にフロケqubitに写像する。
• 断続的写像プロセスを高速化するために、断続的への短縮法（STA）技術を採用する。
• 調整可能な異方性を持つチューナブルなXXZハイゼンベルクハミルトニアンを設計：$\mathcal{H}_{\text{XXZ}}/\hbar = \sum_{i,j} J_{\text{XY}}(\sigma_x^i\sigma_x^j + \sigma_y^i\sigma_y^j) + J_{\text{ZZ}}\sigma_z^i\sigma_z^j$。
• パウリノイズ再構成（PNR）を用いて2量子ビットおよび3量子ビットゲートにおける主要な誤りチャネルを同定する。
• 単回の測定とエコー測定を実施し、周期的駆動下でのドレスドデコherenceおよび加熱効果を特徴付ける。
• フロケ基底に射影された Lindblad マスター方程式を用いてデコherenceをシミュレートし、実験データと一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フロケ工学は、高コヒーレンスを有する固定周波数超伝導qubitで、チューナブルでプログラマブルなハイゼンベルク相互作用を可能にするか？
• RQ2 現実的なデコherenceおよび非断続的効果下でも、断続的写像プロトコルはどの程度の性能を示すか？
• RQ3 設計されたiSWAP、CZ、SWAP、CCZゲートにおける主要な誤りチャネルは何か？
• RQ4 XXZ異方性をどの程度まで調整可能にできるか？これによりユニバーサルゲートセットが実現可能か？
• RQ5 複雑なマルチキュービットエンタングル操作を可能にしつつ、高コヒーレンスが保持されるか？

主な発見

• iSWAPゲートは99.32(3)%の精度を達成し、Z型誤りが主要な誤りチャネルであった。
• CZゲートは99.72(2)%の精度に達し、主にQ1におけるY型誤りとQ2におけるX型誤りが影響要因であった。
• SWAPゲートは98.93(5)%の精度を達成し、いずれのqubitに対してもXおよびZ型誤りが支配的であった。
• 三量子ビットCCZゲートは96.18(5)%の精度で実装され、Q1におけるZ型誤りとQ2・Q3におけるX/Y型誤りが顕著であった。
• ドレスドデコherence測定では、駆動振幅の増加に伴い励起状態の人口が単調に増加し、有効な加熱が生じていることが示されたが、リラクゼーションおよびデコherence率は比較的安定していた。
• フロケ基底におけるLindbladダイナミクスの数値シミュレーションが実験データを定量的に再現し、デコherenceモデルの整合性を確認した。