[論文レビュー] Quantum crosstalk cancellation for fast entangling gates and improved multi-qubit performance

Ken Xuan Wei, Easwar Magesan+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 26被引用数 14

ひとこと要約

この論文では、結合したトランスモンキュービットに対して同時に遠い共鳴外の交流スターリング駆動を施すことで、固定結合型超伝導量子プロセッサにおける静的 $ZZ$ クロステイクをキャンセルする手法、siZZle を提案する。これらの駆動の位相と振幅を調整することにより、より高速で高精度な2キュービットゲートが可能となり、0.19%の誤差で90ナノ秒のCNOTゲートを実現。7キュービット系全体においてもマルチキュービット回路性能が向上し、スケーラブルで高精度な量子計算への道筋を示した。

ABSTRACT

Quantum computers built with superconducting artificial atoms already stretch the limits of their classical counterparts. While the lowest energy states of these artificial atoms serve as the qubit basis, the higher levels are responsible for both a host of attractive gate schemes as well as generating undesired interactions. In particular, when coupling these atoms to generate entanglement, the higher levels cause shifts in the computational levels that leads to unwanted $ZZ$ quantum crosstalk. Here, we present a novel technique to manipulate the energy levels and mitigate this crosstalk via a simultaneous AC Stark effect on coupled qubits. This breaks a fundamental deadlock between qubit-qubit coupling and crosstalk, leading to a 90ns CNOT with a gate error of (0.19 $\pm$ 0.02) $\%$ and the demonstration of a novel CZ gate with fixed-coupling single-junction transmon qubits. Furthermore, we show a definitive improvement in circuit performance with crosstalk cancellation over seven qubits, demonstrating the scalability of the technique. This work paves the way for superconducting hardware with faster gates and greatly improved multi-qubit circuit fidelities.

研究の動機と目的

• 固定結合型超伝導キュービットにおける高速なエンタングルゲートとクロステイクの間の根本的トレードオフを克服すること。
• 常にオンの結合によって生じる静的 $ZZ$ 相互作用を軽減すること。これは、マルチキュービットゲートの精度を低下させる要因である。
• チューナブルな結合素子や複雑なハードウェアを必要としない、スケーラブルでマイクロ波のみで制御可能な技術を開発すること。
• マルチパス結合器を備えた7キュービット線形格子において、この技術の有効性を実証すること。
• 動的なレベルシフトにより、ゲート速度とクロステイクの制限を分離することで、より高速なゲートと高精度な回路を実現すること。

提案手法

• ペアの両方のキュービットに遠い共鳴外のマイクロ波駆動（スターリングトーン）を適用し、交流スターリングシフトを誘発。これによりエネルギー準位が調整され、静的 $ZZ$ 相互作用がキャンセルされる。
• 2つのスターリング駆動の間の位相差を追加の制御パラメータとして活用し、$ZZ$ キャンセレーションまたは増幅を精密に制御可能となる。
• 従来のスピン系に基づく理論的取り扱いをトランスモンキュービットに拡張。スターリングシフトされた準位分裂と $ZZ$ 相互作用を含む有効ハミルトニアンを導出。
• マルチパス結合器（MPC）を用いることで、単一パス結合器と比較して必要なスターリングトーンの振幅を低減。これにより、振幅ノイズに対するロバストネスが向上。
• ゲート操作はクロスレゾナンスパulsesを用い、siZZleなしでの最適化を経てゲート時間を決定。ゲートの精度はランダム化ベンチマーキングにより測定。
• システムのキャリブレーションは、ターゲット動作点で $ZZ$ キャンセレーションが達成されるよう、スターリングトーンの位相と振幅を調整することで実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定結合型トランスモンキュービットにおける静的 $ZZ$ クロステイクは、チューナブルな結合素子を必要とせず、同時に作用する交流スターリングシフトによって効果的にキャンセル可能か？
• RQ2 クロステイクキャンセレーション技術は、高精度を維持しつつ、どの程度まで2キュービットゲートの高速化を可能にするか？
• RQ3 マルチパス結合器アーキテクチャを有する状況において、siZZle手法は複数キュービットにどのようにスケーリング可能か？
• RQ4 スターリングトーンの位相差は、$ZZ$ キャンセレーションの制御性とロバストネスにどのような影響を及えるか？
• RQ5 マルチキュービットプロセッサにおいて、この技術はキュービットのコherー二ンスや読み出し精度に最小限の影響を及えるか？

主な発見

• 0.19%の誤差を示す90ナノ秒のCNOTゲートを達成。これは、以前の報告に比べてゲート速度が2倍向上したことを意味する。
• siZZle技術により、マイクロ波パulsesのみを用いた新しい高精度なCZゲートが実現。これにより、すべてのキュービットがトランスモン型のプロセッサのためのツールキットが拡張された。
• 7キュービットの線形チェーンにおいて、$ZZ$ キャンセレーションにより静的クロステイクが低減され、量子ボリューム回路の性能に測定可能な向上が見られた。
• マルチパス結合器の使用により、単一パス結合器と比較して必要なスターリングトーンの振幅が約3.5倍低減。これにより、振幅ノイズへの感受性が低下した。
• キュービットのコヒーレンス時間（T₁およびT₂）は通常の変動範囲内に保たれ、T₂はわずかに劣化したが、スターリング駆動による周波数シフトは最大1.2 MHzに留まった。
• 2つのスターリングトーン間の位相差が、$ZZ$ キャンセレーションと増幅の両方を1つのフレームワーク内で制御可能な重要な制御ノブであることが示された。