[논문 리뷰] An efficient and compact quantum switch for quantum circuits

Yulin Wu, Li‐Ping Yang외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 양자 회로를 위한 컴act하고 효율적인 양자 스위치를 제안하며, 복합적인 보조 회로 없이도 스위치 온/오프 비율이 100 dB를 초과하는 종방향 제어 필드를 사용해 플럭스 큐비트와 공진기 간의 결합을 동적으로 끄는 데에 성공한다. dc-SQUID 루프를 통해 빠른 z-펄스를 적용함으로써, 효과적인 결합 강도는 100 Hz 이하로 감소되어 주파수 이격 없이도 일관성 있는 제어가 가능해지며, 주파수 혼잡 문제를 해결하고 최적의 일관성 점에서 큐비트의 일관성을 유지한다.

ABSTRACT

The engineering of quantum devices has reached the stage where we now have small scale quantum processors containing multiple interacting qubits within them. Simple quantum circuits have been demonstrated and scaling up to larger numbers is underway. However as the number of qubits in these processors increases, it becomes challenging to implement switchable or tunable coherent coupling among them. The typical approach has been to detune each qubit from others or the quantum bus it connected to, but as the number of qubits increases this becomes problematic to achieve in practice due to frequency crowding issues. Here, we demonstrate that by applying a fast longitudinal control field to the target qubit, we can turn off its couplings to other qubits or buses (in principle on/off ratio higher than 100 dB). This has important implementations in superconducting circuits as it means we can keep the qubits at their optimal points, where the coherence properties are greatest, during coupling/decoupling processing. Our approach suggests a new way to control coupling among qubits and data buses that can be naturally scaled up to large quantum processors without the need for auxiliary circuits and yet be free of the frequency crowding problems.

연구 동기 및 목표

• 큐비트 결합에서 발생하는 주파수 혼잡으로 인한 초전도 양자 프로세서의 확장성 문제를 해결하기 위해.
• 큐비트를 최적의 일관성 점에서 벗어나지 않도록 동적으로 큐비트-공진기 간의 결합을 끄는 방법을 개발하기 위해.
• 보조 결합기나 주파수 조정이 필요 없도록 하여 회로 복잡성과 디코herence 원인을 줄이기 위해.
• 확장 가능한 양자 정보 처리를 위해 고정밀도의 현장에서 제어 가능한 일관성 있는 결합 제어를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 가장 작은 접합부를 dc-SQUID로 대체한 삼접합 플럭스 큐비트를 사용하여 종방향 제어를 가능하게 하기 위한 플럭스-비어 라인을 구현한다.
• α-비어 라인을 통해 공급된 종방향 제어 펄스(z-펄스)가 큐비트와 공진기 간의 효과적인 결합 강도를 조절한다.
• 제어 필드 강도가 λ_zoff ≈ 180 MHz에 도달할 때 결합이 끊어지며, 이로 인해 효과적인 결합 강도 g_eff는 100 Hz 이하로 감소한다.
• 시스템은 자극 상태로 준비되고, 결합에 최적화된 점으로 이동한 후, 진공 라비 진동과 상태 읽기 방법을 통해 일관성 있는 동역학을 모니터링한다.
• 큐비트의 주파수를 변경하지 않기 때문에 비아디아바틱 누출을 피하고 일관성을 유지한다.
• 이론적 시뮬레이션 결과, 스위치 오프 지점에서 온/오프 비율 R < 10⁻⁵임을 확인하여 근본적으로 완전한 분리 상태임을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큐비트를 최적의 작동 점에서 벗어나지 않도록 하면서도 큐비트-공진기 간의 결합을 동적으로 끌 수 있는가?
• RQ2 종방향 제어 필드가 추가적인 디코herence 원인 없이도 높은 온/오프 비율의 결합 강도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 제어 펄스를 사용해 현장에서 큐비트-공진기 간의 일관성 있는 동역학을 일시정지하고 재개할 수 있는가?
• RQ4 특히 공진기에서 양자 상태를 저장할 때, 결합이 끊어진 동안에도 일관성이 유지되는가?

주요 결과

• 종방향 제어 필드가 λ_zoff ≈ 180 MHz에 도달할 때 큐비트와 공진기 간의 결합이 끊어지며, 이로 인해 반대교차 갭 Δ_g는 감지 불가능해진다.
• 스위치 오프 지점에서 진공 라비 진동이 멈추며, 효과적인 분리가 확인되며, 이론적으로 g_eff/2π < 100 Hz임을 입증한다.
• 온/오프 비율이 100 dB를 초과하여 R < 10⁻⁵에 해당하여 고정밀도 스위칭을 실현한다.
• 스위치 오프 펄스 기간 동안 일관성 있는 진동이 일시정지되고 이후 복귀하며, 초기 상태에 관계없이 동일하게 작동한다. 이는 엔트레인지드 상태를 포함한 모든 상태에 대해 성립한다.
• 큐비트 상태는 공진기로 스위치되어 1.5 μs 동안 저장되며, 큐비트의 감쇠 시간보다 3배 길게 유지된 후 일관성 있는 결합이 복귀한다.
• 이 방법은 확장 가능하며, 종방향 제어가 가능한 모든 큐비트 시스템과 호환되며, 보조 회로가 필요로 하지 않는다.