[論文レビュー] Tunable Coupling Architecture for Fixed-frequency Transmons

J. Stehlik, D. M. Zajac+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、固定周波数トランスモンキュービットに適した調整可能なカップラーアーキテクチャ「バス下キュービット」（BBQ）を提案し、調整可能なバスをキュービット周波数の下に配置することにより、高精度な2キュービットゲートを実現する。BBQ設計は最大99.85％のゲート忠実度（1ゲートあたりの誤差：0.0015 ± 0.0001）を達成し、24時間にわたる安定したキャリブレーションを示し、従来の調整可能バス方式の漏れと断続的条件の制限を克服した。

ABSTRACT

Implementation of high-fidelity two-qubit operations is a key ingredient for scalable quantum error correction. In superconducting qubit architectures tunable buses have been explored as a means to higher fidelity gates. However, these buses introduce new pathways for leakage. Here we present a modified tunable bus architecture appropriate for fixed-frequency qubits in which the adiabaticity restrictions on gate speed are reduced. We characterize this coupler on a range of two-qubit devices achieving a maximum gate fidelity of $99.85\%$. We further show the calibration is stable over one day.

研究の動機と目的

• 固定周波数トランスモンキュービットと互換性があり、高精度な2キュービットゲートを可能にする調整可能なカップラーアーキテクチャの開発。
• 固定周波数アーキテクチャにおける常にオンの結合と漏れの制限の解消。
• 調整可能なバスをキュービット周波数の下に配置することにより、ゲート速度における断続的条件の制約を低減。
• スケーラブルな量子コンputingフレームワーク内での高精度で安定的かつ繰り返し可能な2キュービット操作の実現。

提案手法

• バス周波数をキュービット周波数の下に配置した調整可能なカップラー（BBQアーキテクチャ）を設計し、従来の「バス上キュービット」（BAQ）構成とは逆転させた。
• トランスモン島の間にバイパスコンデンサを導入し、有効結合を調整し、バスのスイートスポットでZZ相互作用のゼロ点を生成する。
• フラックスチューニングによりバスを動的に制御し、キュービット間の有効結合を制御することで、エンタングルメントのオン/オフ切り替えを可能にする。
• 低周波数差のペアに対しては、干渉制御によるiSWAP相互作用のキャンセリングを実現するダブルパルスシーケンスを実装する。
• トランスモン項、非調和項、調整可能カップリングを含むハミルトニアンをモデル化し、有効交換相互作用 $ J_{\rm tot} \approx J_{\rm bus} + g_{\rm Q1,Q2} $ を導出する。
• ランダム化ベンチマークによるゲートキャリブレーションを行い、11個の2キュービットデバイスでゲート忠実度、コherences時間、1ゲートあたりの誤差（EPG）を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定周波数トランスモンに適した調整可能なカップラーアーキテクチャを設計し、キュービット周波数の調整を必要とせずに高精度な2キュービットゲートを達成できるか？
• RQ2 調整可能なバスをキュービット周波数の下に配置したBBQ方式が、従来のBAQ設計と比較して、ゲート忠実度と安定性をどのように向上させるか？
• RQ3 低キュービット-キュービット周波数差がゲート忠実度に与える影響は何か？ また、残存するiSWAP相互作用はどのようにキャンセルできるか？
• RQ4 実際の量子プロセッサにおいて、調整可能カップラーのキャリブレーションが長時間（例：1日間）にわたり安定しているか？
• RQ5 このBBQアーキテクチャにおいて、結合強度、ゲート時間、1ゲートあたりの誤差（EPG）の間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• BBQアーキテクチャは最大99.85％の2キュービットゲート忠実度を達成し、1ゲートあたりの誤差（EPG）は $ 0.0015 \pm 0.0001 $ に相当し、ゲート時間は46 nsであった。
• 11個の測定済み2キュービットデバイスにおいて、結合強度が高くなる（$ g_{Q,bus}/2\pi = 110 $ MHz）ほど、ゲートは高速かつ信頼性が向上し、そのうち5つのペアのうち3つがEPG < 0.002を達成した。
• フラックスチューナブルカップラーの最適キャリブレーションは24時間以上にわたり安定しており、ゲート忠実度や誤差率に顕著なドリフトは観察されなかった。
• 低周波数差ペア（9 MHz）に対しては、ダブルパルスシーケンスを用いて不要なiSWAP相互作用をキャンセルし、EPGを $ 0.006 \pm 0.002 $ に低下させ、110 nsのゲート時間で達成した。
• BBQ設計により、断続的条件の制約が低減され、スムーズなオン/オフ状態への遷移が可能になり、より高速かつ耐障害性の高いゲート操作が実現した。
• この方式は、さまざまな周波数差や結合強度においても高い性能を維持し、再現性とスケーラビリティの可能性を示した。