[論文レビュー] Quantum crosstalk analysis for simultaneous gate operations on superconducting qubits

Peng Zhao, Kehuan Linghu+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、可調式バスを用いて100ナノ秒未塔の制御Z（CZ）ゲートを実装する超伝導キュービットアーキテクチャにおける量子クロストークの理論的分析を提供する。非可視なクロスドライブ誤差が周波数衝突点付近でのマイクロ波駆動単一キュービットゲート中に生じることを特定し、CZ操作中の寄生的次近隣相互作用が共鳴点で漏れ出しと制御誤差を引き起こすことを明らかにした。これにより、スケーラブルな量子プロセッサにおける誤り補正の向上と低クロストークキュービット設計の必要性が強調された。

ABSTRACT

Maintaining or even improving gate performance with growing numbers of parallel controlled qubits is a vital requirement for fault-tolerant quantum computing. For superconducting quantum processors, though isolated one- or two-qubit gates have been demonstrated with high-fidelity, implementing these gates in parallel commonly shows worse performance. Generally, this degradation is attributed to various crosstalks between qubits, such as quantum crosstalk due to residual inter-qubit coupling. An understanding of the exact nature of these crosstalks is critical to figuring out respective mitigation schemes and improved qubit architecture designs with low crosstalk. Here we give a theoretical analysis of quantum crosstalk impact on simultaneous gate operations in a qubit architecture, where fixed-frequency transmon qubits are coupled via a tunable bus, and sub-100-ns controlled-Z (CZ) gates can be realized by applying a baseband flux pulse on the bus. Our analysis shows that for microwave-driven single-qubit gates, the dressing from the qubit-qubit coupling can cause non-negligible cross-driving errors when qubits operate near frequency collision regions. During CZ gate operations, although unwanted near-neighbor interactions are nominally turned off, sub-MHz parasitic next-near-neighbor interactions involving spectator qubits can still exist, causing considerable leakage or control error when one operates qubit systems around these parasitic resonance points. To ensure high-fidelity simultaneous operations, there could raise a request to figure out a better way to balance the gate error from target qubit systems themselves and the error from non-participating spectator qubits. Overall, our analysis suggests that towards useful quantum processors, the qubit architecture should be examined carefully in the context of high-fidelity simultaneous gate operations in a scalable qubit lattice.

研究の動機と目的

• 同時ゲート操作中の超伝導キュービットシステムにおける量子クロストークの原因と影響を理解すること。
• 残留相互結合および寄生的相互作用が多キュービットアーキテクチャにおけるゲート精度を低下させる仕組みを特定すること。
• 並列ゲート操作中に非参加キュービット（スペンサー・キュービット）が誤りを引き起こす程度を評価すること。
• 可調式バスを介して結合する固定周波数トランスモンキュービットにおけるクロストーク効果を評価する理論的枠組みを提供すること。
• ターゲットキュービットおよびスペンサー・キュービットからのクロストーク寄与を定量化することで、将来のハードウェア設計および誤り補正戦略を導くこと。

提案手法

• 固定周波数トランスモンキュービットが可調式フラックスバスを介して結合する4キュービット正方形格子の理論的モデルを用い、ゲート操作をシミュレートする。
• 100ナノ秒未塔のCZゲートを実装するために、バスにベースバンドフラックスパルスを適用し、パルス形状を3つのフーリエ係数が満たす条件 λ₁ + λ₃ = 1 を満たすように定義する。
• 系ハミルトニアンの時間順指数積を用いて実際の時間発展演算子 U₂ = P̂T exp(−i∫₀ᵀ H(t)dt) を計算する。
• 単一および二キュービット操作のための計算サブスペースへの射影に射影演算子 P₁ および P₂ を用いる。
• 局所的単一キュービット位相誤差を補正するための後処理位相補正を含む指標を用いてゲート精度を評価する。
• 単一、二、三励起サブスペースにおける状態人口交換行列 P(o|i) を分析し、次近隣キュービットからの漏れ出しとクロストークを定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービット格子における同時単一および二キュービットゲート操作中に支配的なクロストーク源は何か？
• RQ2 残留相互結合および寄生的次近隣相互作用が並列CZゲート操作中のゲート精度に与える影響は何か？
• RQ3 ターゲットキュービットが共鳴点付近で操作される際、スペンサー・キュービットが誤りに寄与する程度はどの程度か？
• RQ4 周波数衝突領域がマイクロ波駆動単一キュービットゲートにおけるクロスドライブ誤差に与える影響は何か？
• RQ5 高次過程が次近隣キュービット間で非可視な人口交換を可能にする役割は何か？

主な発見

• 周波数衝突点付近でマイクロ波駆動単一キュービットゲートが実行される際、キュービット同士の結合によるドレスティング効果により非可視なクロスドライブ誤差が生じる。
• 1MHz未満の強度の寄生的次近隣相互作用が、共鳴状態にある場合にCZゲート操作中に顕著な漏れ出しと制御誤差を引き起こす。
• 高次過程によって次近隣キュービット間の人口交換が可能となり、その値は10⁻⁴未塔に抑制されるが、依然として測定可能なゲート誤差に寄与する。
• ターゲットキュービット系からの誤りと非参加スペンサー・キュービットからの誤りのバランスが取れないことにより、並列操作におけるゲート精度が劣化する。
• 高精度な孤立ゲートでさえも、同時に実行される際にはクロストークが生じることを明らかにした。したがって、故障耐性のある量子コンピューティングを達成するには、アーキテクチャと制御戦略の改善が不可欠である。
• 本研究は、故障耐性量子コンピューティングを達成するためには、クロストークを最小限に抑えたスケーラブルなキュービット格子の設計が不可欠であることを強調した。