[論文レビュー] Tunable three-body coupler for superconducting flux qubits

Denis Melanson, Antonio Martinez+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、フラックスキュービット間の強い、調整可能な三体相互作用を可能にするとともに、不要な二体項のほぼ完全なキャンセレーションを実現する超伝導三体結合素子を提案する。2つの結合された調整可能なrf-SQUIDを用いることで、ノイズに強く、安定した三キュービットもつれ状態を実現でき、量子アニーリングや高次元量子シミュレーションに適している。

ABSTRACT

The implementation of many-body interactions is relevant in various areas of quantum information. We present a superconducting device that implements a strong and tunable three-body interaction between superconducting quantum bits, with vanishing two-body interactions and robustness against noise and circuit parameter variations. These properties are confirmed by calculations based on the Born-Oppenheimer approximation, a two-level model for the coupling circuit, and numerical diagonalization. This circuit behaves as an ideal computational basis ZZZ coupler in a simulated three-qubit quantum annealing experiment. This work will be relevant for advanced quantum annealing protocols and future developments of high-order many-body interactions in quantum computers and simulators.

研究の動機と目的

• フラックスキュービット間の強い、調整可能な三体相互作用を可能にする超伝導結合素子を設計すること。
• 低複雑性の回路構造において、フラックスノイズおよびプロセスばらつきに対してロバストであることを達成すること。
• 量子アニーリングおよび量子シミュレーションプラットフォームにおける実用的実装を可能にする高次相互作用の実現。
• 二重のrf-SQUID回路への対称的結合を通じて、二体項の有効なキャンセレーションを実証すること。
• Born-Oppenheimer近似、二準位モデル、および数値対角化を用いて結合素子の性能を検証すること。

提案手法

• 結合素子は、主ループと二次のジョセフソン接合を有するループを備えた2つの調整可能なrf-SQUID（c1およびc2）を用い、制御可能な磁気感受率を通じて相互作用を媒介する。
• キュービットq1は、c1およびc2の両方に等しく逆位相の磁束寄与を有するため、q1とq2間の二体項の破壊的干渉が可能になる。
• キュービットq3は結合素子の両ブランチに対して対称的に結合され、q3とq1、q2の間の二体項のキャンセレーションが保証される。
• 三体相互作用強度$ J_{123} $は、rf-SQUIDの主ループおよび二次ループへの外部磁束バイアスによって調整可能である。
• 結合ダイナミクスのモデル化にはBorn-Oppenheimer近似が適用され、有効ハミルトニアンの妥当性は数値的対角化によって検証される。
• キュービットのエネルギースケールおよび結合素子パラメータは、結合素子の感受率を補正するために再スケーリングされ、アニーリングハミルトニアンへの正確なマッピングが保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低複雑性の超伝導回路が、二体項が無視できるほど小さいフラックスキュービット間の強い、調整可能な三体相互作用を実装可能か？
• RQ2 二重のrf-SQUID回路への対称的結合によって、二体相互作用はどの程度効果的にキャンセル可能か？
• RQ3 実際のデバイスパラメータにおけるフラックスノイズおよびプロセスばらつきに対して、三体結合はどの程度ロバストか？
• RQ4 量子アニーリングの文脈において、実際のノイズおよびパラメータの揺らぎ下でも、結合素子は高精度のZZZ相互作用を維持できるか？
• RQ5 環境ノイズおよび設計上の不完全さの下で、三体結合強度の調整可能範囲および安定性はどの程度達成可能か？

主な発見

• 三体結合強度$ J_{123} $は0.915 GHzに達し、典型的なキュービットエネルギー差と同等の大きさであり、強いもつれ相互作用を可能にする。
• 二体相互作用は10 MHz未満に抑えられ、$ \tilde{J}_{12}, \tilde{J}_{13}, \tilde{J}_{23} $はいずれも0.015 GHz未満であり、有効なキャンセレーションが確認された。
• フラックスノイズにより局所磁場に最大0.102 GHzの標準偏差が生じるが、三体結合はわずか0.3 GHzの標準偏差で安定を保つ。
• 名目値の3%以内のプロセスばらつきに対しても、結合強度および二体キャンセレーションにほとんど影響がなく、最適化されたバイアス点により二体項がほぼゼロに保たれた。
• 数値シミュレーションにより、結合素子が三キュービット量子アニーリング実験において理想のZZZ結合素子として動作することが確認され、機能的忠実度が裏付けられた。
• 複数のノイズおよびばらつきのシナリオにおいても結合素子がロバストであることが示され、スケーラブルな量子アニーリングおよび量子シミュレーションへの実用的妥当性が裏付けられた。