[論文レビュー] Quantum design for advanced qubits: plasmonium

Fengming Liu, Ming-Cheng Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、プラズモン遷移領域における量子回路最適化に変分量子固有状態ソルバ（VQE）を活用する新しい超伝導キュービット設計「プラズミオン」を提案する。実装され実験的に検証されたプラズミオンは、99.85(1)%の単一キュービットの保全性、99.58(3)%の2キュービットの保全性、トランモンと比較して物理的サイズが60%小さく、非調和性が50%高いという特徴を備えており、既存の量子リソースを用いてスケーラブルで高性能な量子プロセッサの実現を可能にする。

ABSTRACT

The increasingly complex quantum electronic circuits with a number of coupled quantum degrees of freedom will become intractable to be simulated on classical computers, and requires quantum computers for an efficient simulation. In turn, it will be a central concept in quantum-aided design for next-generation quantum processors. Here, we demonstrate variational quantum eigensolvers to simulate superconducting quantum circuits with varying parameters covering a plasmon-transition regime, which reveals an advanced post-transmon qubit, "plasmonium". We fabricate this new qubit and demonstrate that it exhibits not only high single- and two-qubit gate fidelities (99.85(1)% and 99.58(3)%, respectively), but also a shrinking (by 60%) physical size and larger (by 50%) anharmonicity than the transmon, which can bring a number of advantages for scaling up multi-qubit devices. Our work opens the way to designing advanced quantum processors using existing quantum computing resources.

研究の動機と目的

• 既存のトランモンキュービットのスケーラビリティの限界を克服する新しい超伝導キュービットアーキテクチャの開発を目的とする。
• 変分量子固有状態ソルバ（VQE）を活用して、先進的キュービットの量子支援設計を実現することを目的とする。
• 高い非調和性と物理的サイズの低減を実現しながら、高いゲート保全性を維持することを目的とする。
• 提案された「プラズミオン」キュービットの実験的妥当性と性能を実証することを目的とする。
• 改善されたキュービット設計を通じて、スケーラブルなマルチキュービット量子プロセッサの実現を目的とする。

提案手法

• プラズモン遷移領域におけるさまざまなパラメータを想定し、変分量子固有状態ソルバ（VQE）を用いて超伝導量子回路のシミュレーションを実施した。
• VQEシミュレーションから得られた最適化された回路パラメータに基づき、プラズミオンキュービットを設計した。
• 非調和性を向上させるために、レベル間隔を変更し、結合を最適化したトランモンに類似した超伝導回路を設計した。
• 標準的な超伝導ナノファブリケーション技術を用いて、プラズミオンキュービットを実装した。
• ランダム化ベンチマークとトモグラフィーを実施し、単一および2キュービットゲートの保全性を評価した。
• 物理的サイズと非調和性について、プラズミオンと従来のトランモンキュービットを比較し、スケーラビリティ上の利点を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変分量子固有状態ソルバ（VQE）は、先進的超伝導キュービットの設計を効果的に導くことができるか？
• RQ2 プラズミオンキュービットアーキテクチャは、トランモンと比較して高い非調和性と物理的サイズの低減を達成できるか？
• RQ3 実装されたプラズミオンキュービットにおける単一および2キュービット操作のゲート保全性はどの程度か？
• RQ4 プラズミオンキュービットは、スケーラブル統合に適した小型化を実現しながらも、高いコherence性とゲート保全性を維持できるか？
• RQ5 量子支援設計は、次世代超伝導キュービットの性能をどの程度向上させることができるか？

主な発見

• プラズミオンキュービットは、99.85(1)%の単一キュービットゲート保全性を達成し、高精度な動作を実証した。
• 2キュービットゲート保全性は99.58(3)%に達し、強固なエンタングル操作を示した。
• プラズミオンキュービットの物理的サイズは、トランモンキュービットと比較して60%小さくなった。
• プラズミオンキュービットの非調和性は、トランモンと比較して50%向上し、準位の区別性が向上した。
• 標準的なファブリケーションおよび特性評価技術を用いて、キュービット設計の実騹的妥当性が確認された。
• 結果から、量子支援設計が高パフォーマンスでスケーラブルな超伝導キュービットの開発を可能にすることが確認された。