[論文レビュー] Tunable inductive coupler for high fidelity gates between fluxonium qubits

Helin Zhang, Chunyang Ding+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、最小限のZZクロストーク（<3 kHz）を伴いながら強力で制御可能なXX結合（−35〜75 MHz）を実現することで、重いフラックスフォロンキュービット間の高精度な2キュービットゲートを可能にする調整可能な誘導結合素子を提案する。この結合素子は102ナノ秒で√bSWAPゲートを実現し、99.91%の精度を達成し、20時間以上にわたり安定した性能を示す。これは、スケーラブルな量子計算に不可欠な高精度で高速な操作を実現している。

ABSTRACT

The fluxonium qubit is a promising candidate for quantum computation due to its long coherence times and large anharmonicity. We present a tunable coupler that realizes strong inductive coupling between two heavy-fluxonium qubits, each with $\sim50$MHz frequencies and $\sim5$ GHz anharmonicities. The coupler enables the qubits to have a large tuning range of $ extit{XX}$ coupling strengths ($-35$ to $75$ MHz). The $ extit{ZZ}$ coupling strength is $&lt;3$kHz across the entire coupler bias range, and $&lt;100$Hz at the coupler off-position. These qualities lead to fast, high-fidelity single- and two-qubit gates. By driving at the difference frequency of the two qubits, we realize a $\sqrt{i\mathrm{SWAP}}$ gate in $258$ns with fidelity $99.72\%$, and by driving at the sum frequency of the two qubits, we achieve a $\sqrt{b\mathrm{SWAP}}$ gate in $102$ns with fidelity $99.91\%$. This latter gate is only 5 qubit Larmor periods in length. We run cross-entropy benchmarking for over $20$ consecutive hours and measure stable gate fidelities, with $\sqrt{b\mathrm{SWAP}}$ drift ($2 σ$) $&lt; 0.02\%$ and $\sqrt{i\mathrm{SWAP}}$ drift $&lt; 0.08\%$.

研究の動機と目的

• 低周波数のフラックスフォロンキュービット間で高精度な2キュービットゲートを実現するため、調整可能な誘導結合素子を開発すること。
• ゲート精度を保持し、計算サブスペース外へのリークを回避するため、望ましくないZZ結合を最小限に抑えること。
• 強力で制御可能なXX結合を活用して、高速で高精度な単一および2キュービットゲートを達成すること。
• 長時間にわたる運用においても安定したゲート性能を示すことで、スケーラビリティの可能性を検証すること。
• 計算サブスペース外の高励起状態を励起させることなく、高精度なエンタングルゲートを実現すること。

提案手法

• 小さなジョセフソン接合と短い大規模接合アレイを用いた調整可能な誘導結合素子を実装し、2つの重いフラックスフォロンキュービット間でフラックス調整可能な誘導結合を実現する。
• 結合素子のフラックスバイアスを用いて、XX結合強度を−35 MHzから75 MHzまで調整可能にし、高速なゲート操作を可能にする。
• 結合素子のオフ位置でXXおよびZZ結合の両方をオフにできるように設計し、単一キュービットゲート操作を可能にする。
• 差周波数（|ω_b − ω_a|）で駆動することで√iSWAPゲートを、和周波数（ω_b + ω_a）で駆動することで√bSWAPゲートを実装する。
• 有効ハミルトニアンを導出するために回転波近似（RWA）を適用し、望ましいXX相互作用を分離し、不要な項を最小限に抑える。
• リンドブラッドマスター方程式の数値シミュレーションを用いてデコherence効果をモデル化し、減衰、デコherence、クロストークによる誤差寄与を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能な誘導結合素子は、低周波数のフラックスフォロンキュービット間で強力で制御可能なXX結合を実現しつつ、ZZクロストークを抑制できるか？
• RQ2 この誘導結合方式を用いた2キュービットエンタングルゲートの実現可能なゲート精度と速度はどの程度か？
• RQ3 長時間運用におけるゲート精度はどの程度安定しており、主な誤差要因は何か？
• RQ4 結合素子は、計算サブスペース外の高励起状態を励起させることなく、高精度なゲートを実現できるか？
• RQ5 RFフラックスクロストークやキャリアエンvelope位相の変動がゲート不正確性に与える影響は何か？また、それらを緩和できるか？

主な発見

• 調整可能な誘導結合素子は、−35 MHzから75 MHzまでの広いXX結合範囲を実現し、高速な2キュービットゲートを可能にする。
• 結合素子のバイアス全範囲でZZ結合が<3 kHzに抑えられ、結合素子のオフ位置では<100 Hzにまで低下し、不要な相互作用が最小限に抑えられる。
• √bSWAPゲートは102ナノ秒で実現され、99.91%の精度を達成しており、これはたった5つのキュービットラミル周期に相当する。
• √iSWAPゲートは258ナノ秒で実装され、99.72%の精度を示し、差周波数での高精度動作を実証している。
• 20時間以上にわたるクロスエントロピーベンチマークでは、最小限のドリフトが観測された：√bSWAPのドリフト<0.02%（2σ）、√iSWAPのドリフト<0.08%（2σ）、長期間安定性を示している。
• デコherenceが主な誤差要因であり、全不正確性の約半分を占め、数値シミュレーションでは解析的推定値と良好に一致している。