[論文レビュー] Tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fluxonium qubits

Ilya N. Moskalenko, Ilya S. Besedin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 30被引用数 34

ひとこと要約

本論文では、固定周波数のフラックスオン qubit に高精度な2キュービットゲートを実装するための調整可能な結合スキームを提案する。このスキームは、半分の磁束量子にバイアスされたフラックスオンベースの結合器を用い、動的磁束チューニングにより iSWAP に類似したゲートを実現する。この手法により、既存のトランスモンハードウェアと互換性のある平面的オンチップアーキテクチャ上で高精度なゲートが実現可能であり、制御電子回路の複雑さを低減するとともに、コherency を向上させる低周波数 qubit を採用する利点を享受できる。

ABSTRACT

The superconducting fluxonium circuit is an RF-SQUID-type flux qubit that uses a large inductance built from an array of Josephson junctions or a high kinetic inductance material. This inductance suppresses charge sensitivity exponentially and flux sensitivity quadratically. In contrast to the transmon qubit, the anharmonicity of fluxonium can be large and positive, allowing for better separation between the low energy qubit manifold of the circuit and higher-lying excited states. Here, we propose a tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fixed-frequency fluxonium qubits, biased at half flux quantum. In this system, both qubits and coupler are coupled capacitively and implemented as fluxonium circuits with an additional harmonic mode. We investigate the performance of the scheme by simulating a universal two-qubit fSim gate. In the proposed approach, we rely on a planar on-chip architecture for the whole device. Our design is compatible with existing hardware for transmon-based devices, with the additional advantage of lower qubit frequency facilitating high-precision gating.

研究の動機と目的

• 固定周波数のフラックスオン qubit における2キュービットゲートのための調整可能結合スキームの開発。
• 既存のトランスモンハードウェアと互換性のある平面的オンチップアーキテクチャで高精度な2キュービット操作を実現すること。
• フラックスオン qubit の長いコherency 時間（T1 > 200 µs）を活用しつつ、動的磁束制御によりゲート精度を維持すること。
• サブギガヘルツ周波数で動作させることで、制御電子回路の複雑さを低減すること。
• 最適化された結合およびチューニングプロトコルにより、2キュービットゲートにおける漏れおよびコherent エラーを最小限に抑えること。

提案手法

• 本スキームは3つのフラックスオン qubit を用いる：2つの計算用 qubit と1つの調整可能結合器。これらはすべて、調和モードを有する修正フラックスオン回路として実装される。
• qubit と結合器は容量結合されており、結合強度は結合器の磁束バイアスを調整することで制御される。
• システムは磁束縮退点（Φx = Φ₀/2）で動作し、ここでは3つの qubit がほぼ共鳴しており、強いXX型相互作用が可能になる。
• 結合器をその磁束スイートスポットを通ってチューニングすることで、バニラ・ラビサイクルを用いてiSWAPに類似したfSimゲートを実装する。
• ハミルトニアンは正規モード座標（ϑ+ と ϑ−）を用いてモデル化され、調和モード（ϑ+）と非線形フラックスオンモード（ϑ−）が、容量およびインダクタンスの非対称性によって結合される。
• 実際の回路設計から得られるパラメータを用いて、デコherence、漏れ、コherent エラーを想定した数値シミュレーションによりゲート性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定周波数のフラックスオン qubit に対して、高精度な2キュービットゲートを実現できる調整可能結合スキームを設計可能か？
• RQ2 フラックスオンベースの結合器の動的磁束チューニングにより、平面的アーキテクチャでiSWAPに類似したゲート操作がどのように実現可能か？
• RQ3 提案されたfSimゲートにおける主要な誤差要因（デコherence、漏れ、コherent エラー）は何か、そしてそれらはどのように緩和可能か？
• RQ4 本スキームは、既存のトランスモンベースの制御ハードウェアおよびインfraストラクチャとどの程度互換性があるか？
• RQ5 調和モードの非対称性および非線形スーパーインダクタンスが、qubit のコherency およびゲート精度に与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたスキームにより、θ = π/4 および条件付き位相ϕを有するユニバーサル fSim ゲートが実現可能であり、結合器の動的磁束チューニングにより高精度が達成される。
• ゲートは結合器を上位の磁束スイートスポットから下位の磁束スイートスポットへ、そして元に戻すチューニングによって実装され、1/4バニラ・ラビサイクルが完了する。
• 容量およびインダクタンスの非対称性（相対的非対称性5%）により、分散シフトχ = 23 MHzが達成され、スーパーインダクターの非線形性からχ = 0.5 MHzが寄与する。
• 低温（10 mK）条件下で、低調和モード減衰率（κ = 0.01 MHz）と高いχの効果により、熱的位相デコherence が抑制され、Tϕ > 1 s が達成される。
• 既存のトランスモンハードウェアと互換性があり、サブギガヘルツ制御が可能であるため、制御電子回路のコストおよび複雑さが低減される。
• 本スキームは低クロストークを維持しており、磁束縮退点における不要なZZクロストークζon_zz < 1 MHzであり、ゼロ磁束バイアスでの有効結合強度gxx ≈ 200 MHzである。