[論文レビュー] Spectator Errors in Tunable Coupling Architectures

D. M. Zajac, J. Stehlik+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 11被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、特にバス下キュービット（BBQ）設計における、余剰なマイクロ波経路に起因する残留結合が理想的な2キュービットゲートの忠実度を損なう「スペクテーター誤差」を調査する。本研究では、ゲート操作中に不要な相互作用を条件付きでキャンセルするため、調整可能なコアラーの動的フラックスバイアスを提案し、ハードウェア改変なしにマルチキュービット並列ゲートの忠実度を顕著に向上させる。

ABSTRACT

The addition of tunable couplers to superconducting quantum architectures offers significant advantages for scaling compared to fixed coupling approaches. In principle, tunable couplers allow for exact cancellation of qubit-qubit coupling through the interference of two parallel coupling pathways between qubits. However, stray microwave couplings can introduce additional pathways which complicate the interference effect. Here we investigate the primary spectator induced errors of the bus below qubit (BBQ) architecture in a six qubit device. We identify the key design parameters which inhibit ideal cancellation and demonstrate that dynamic cancellation pulses can further mitigate spectator errors.

研究の動機と目的

• 調整可能な結合を持つ超伝導量子アーキテクチャ、特にBBQ設計におけるスペクテーター誤差の原因と影響を理解すること。
• 残留結合によって2キュービットゲートの忠実度が低下する要因となる、コアラーのフラックスバイアスやキュービットのデチューニングといった主要なデバイスパラメータを同定すること。
• ゲート操作中のスペクテーター誘発スワップを抑制するソフトウェアベースの緩和戦略として、動的フラックスバイアスを考案・検証すること。
• 静的バイアスでは最適なキャンセレーションを達成できない状況でも、動的補償パルスがスペクテーター誤差を低減できることを示すこと。
• 大規模な超伝導量子プロセッサに適した、スケーラブルで非侵襲的なゲート忠実度向上手法を提供すること。

提案手法

• 強いキュービット-コアラー結合（80 MHz）と小さなデチューニング（~240 MHzのアンハーモニシティ）を持つ、6キュービットのBBQアーキテクチャに7つの調整可能なコアラーを用い、ストラッドリング状態で動作する。
• 2キュービットゲートの忠実度はランダム化ベンチマークを用いて評価され、誤差/ゲート（EPG）はコアラーのフラックスバイアスを変化させながら測定される。
• スペクテーター誤差は、非相互作用コアラー（C01）のフラックスを独立に調整しながら、ターゲットゲート（例：Q1-Q4）の忠実度を測定することでプローブされる。これにより、スペクテーター・コアラーのバイアスに強く依存することが明らかになる。
• ゲート操作中にスペクテーター・コアラーに補償パルスを印加し、ランダウ＝ツェナー遷移における構成的干渉を誘発することで、不要な状態遷移を最小限に抑える。
• 補償パルスの振幅と遅延は、スペクテーター・キュービット間の状態遷移を干渉測定により校正され、遅延を変化させた4つのパルスを用いて、共鳴的構成的干渉の点を特定する。
• 同時に2キュービットゲート（Q0-Q3 および Q1-Q4）への応用を拡張し、C01およびC34に動的バイアスを適用してスペクテーター効果を最小化するが、同時に誘導される位相シフトも考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の1キュービットゲートの忠実度が最適化されているにもかかわらず、マルチキュービット調整可能な結合アーキテクチャで2キュービットゲートの忠実度がなぜ低下するのか？
• RQ2 コアラーのフラックスバイアスやキュービットのデチューニングといった、BBQアーキテクチャにおけるスペクテーター誘発誤差に最も寄与するデバイスパラメータは何か？
• RQ3 残留結合および条件付き相互作用に起因するスペクテーター誤差を、調整可能なコアラーの動的フラックスバイアスによって緩和できるか？
• RQ4 ハードウェア改変なしに、ソフトウェアベースの動的補償パルスがスペクテーター誤差をどの程度低減できるか？
• RQ5 スペクテーター誤差の条件付き性が、並列2キュービットゲート操作のスケーラビリティと信頼性に与える影響は何か？

主な発見

• 1キュービットゲート忠実度の最適フラックスバイアス（EPG ~0.064%）と、2キュービットゲートにおけるスペクテーター誤差を最小化するバイアスは一致せず、静的バイアスにおいて根本的な矛盾が生じていることが示された。
• 静的バイアス下では2キュービットゲートのEPGが著しく低下し、個々のゲートに最適化された状態でも0.3–0.8%に達する。
• スペクテーター・コアラーに適用された動的補償パルスは、構成的干渉点でスペクテーター誘発状態遷移を最大90%まで低減したことが、干渉測定による校正で確認された。
• 同時に2キュービットゲートに動的バイアスを適用すると、補償なしでは85%であった忠実度が、補償ありでは95%に向上し、明確な性能向上が示された。
• 最大の残留誤差は共鳴スワップであり、特にキュービットのデチューニングが50 MHzを超えると、動的フラックスパルスによって効果的に抑制できる。
• 低デチューニングで強い漏れ結合を持つデバイスでは、高忠実度の並列操作を実現するためには動的補償が必要だが、少数のキュービットペアにのみ希釈的に適用可能である。