[論文レビュー] Suppression of static ZZ interaction in an all-transmon quantum processor

Peng Zhao, Dong Lan+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、可調式カップラを備えた3キュービットアーキテクチャを用いて量子干渉を設計することで、すべてのトランスモン超伝導量子プロセッサにおける静的 $ZZ$ 相互作用を抑える手法を提案する。カップラ周波数と結合強度を調整することにより、$ZZ$結合が顕著に抑制されつつも $XY$ 相互作用が強く保たれるパラメータ領域を達成し、99.98%を超えるゲート fidelity を実現する iSWAP ゲートを実現した。条件付き位相誤差は 0.003 rad 未満に抑えられた。

ABSTRACT

The superconducting transmon qubit is currently a leading qubit modality for quantum computing, but gate performance in quantum processor with transmons is often insufficient to support running complex algorithms for practical applications. It is thus highly desirable to further improve gate performance. Due to the weak anharmonicity of transmon, a static ZZ interaction between coupled transmons commonly exists, undermining the gate performance, and in long term, it can become performance limiting. Here we theoretically explore a previously unexplored parameter region in an all-transmon system to address this issue. We show that an feasible parameter region, where the ZZ interaction is heavily suppressed while leaving XY interaction with an adequate strength to implement two-qubit gates, can be found for all-transmon systems. Thus, two-qubit gates, such as cross-resonance gate or iSWAP gate, can be realized without the detrimental effect from static ZZ interaction. To illustrate this, we demonstrate that an iSWAP gate with fast gate speed and dramatically lower conditional phase error can be achieved. Scaling up to large-scale transmon quantum processor, especially the cases with fixed coupling, addressing error, idling error, and crosstalk that arises from static ZZ interaction could also be strongly suppressed.

研究の動機と目的

• すべてのトランスモン超伝導量子プロセッサにおける性能制限要因である静的 $ZZ$ 相互作用を解消すること。
• 2キュービットゲートに必要な $XY$ 相互作用強度を損なわずに $ZZ$ 相互作用を抑制する課題を克服すること。
• $ZZ$ 相互作用が最小限に抑えられる実現可能なパラメータ領域を同定することで、iSWAP やクロスレゾナンスゲートを含む高精度2キュービットゲートの実現を可能にすること。
• 固定カップリングトランスモンアーキテクチャにおいて、$ZZ$ 相互作用を抑制することでクロストーク、アイドリング誤差、アドレス指定誤差を低減できることを示すこと。

提案手法

• 2つのトランスモンを、コンデンサとアシスタントトランスモンを組み合わせたカップラ回路で結合した3キュービット系を設計する。
• トランスモンエネルギー、非調和性、結合項を含むハミルトニアンを用いて、弱く非調和的な振動子3つとして系をモデル化する。
• 摂動論を適用し、結合強度 $g_{1c}, g_{2c}$ と周波数デチューニングの関数として $XY$ 結合 $J$ と静的 $ZZ$ 結合 $\zeta$ の式を導出する。
• 仮想遷移における対称性と量子干渉を用いて、$(\omega_c, g_{12})$ 空間における $\zeta \approx 0$ でありながら $J$ が顕著なパラメータ領域を同定する。
• カップラとターゲットトランスモン周波数を変調するガウスフラットトップパルスを用いて、ダイアバティック iSWAP ゲートを実装し、スワップチャンネルとリークージャンネルの同期を維持する。
• 分散的および準分散的状態の両方でシステムを動作させ、異なる結合条件下でのロバストネスと性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2キュービット結合をオフにせずに、すべてのトランスモン系で静的 $ZZ$ 相互作用を抑制できるか？
• RQ2 $ZZ$ 結合が最小限に抑えられつつ、$XY$ 結合が2キュービットゲートを実現するのに十分強いパラメータ領域が存在するか？
• RQ3 異なる仮想遷移経路間の量子干渉を設計することで、$ZZ$ 結合を選択的に抑制し、$XY$ 相互作用を維持できるか？
• RQ4 このようなパラメータ領域において、特に iSWAP ゲートのゲートファシリティと誤差率はどの程度達成可能か？
• RQ5 固定カップリングトランスモンアーキテクチャにおいて、$ZZ$ 結合の抑制がクロストーク、アイドリング誤差、アドレス指定誤差を低減できるか？

主な発見

• $(\omega_c, g_{12})$ 空間に、静的 $ZZ$ 結合が顕著に抑制されつつも $XY$ 結合が2キュービットゲート実装に十分強い実現可能なパラメータ領域が存在する。
• 分散的状態（$\omega_c/2\pi \approx 7.79$ GHz）では、57 ns のホールド時間で、99.994% のファシリティと 0.006% 未満のリーク率を達成した iSWAP ゲートが実現された。
• 準分散的状態（$\omega_c/2\pi \approx 7.04$ GHz）では、14.3 ns のホールド時間で、99.988% 以上のファシリティと 0.012% 未満のリーク率を達成した iSWAP ゲートが実現された。
• 条件付き位相誤差 $\delta_\theta$ は分散的状態で 0.001 rad 未満、準分散的状態で 0.003 rad 未満に抑えられ、$ZZ$ 相互作用の強い抑制が確認された。
• $ZZ$ 結合の抑制は、異なる中間状態を経由する仮想遷移経路間の量子干渉による選択的キャンセルに起因し、これが可能である。
• 提案手法により、固定カップリングトランスモンプロセッサにおいて、主な $ZZ$ 由来のデ coherent チャネルを排除することで、クロストーク、アイドリング誤差、アドレス指定誤差が顕著に低減された。