[논문 리뷰] Characterization of multi-level dynamics and decoherence in a high-anharmonicity capacitively shunted flux circuit

Muhammet Ali Yurtalan, Jiahao Shi외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 64인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 큰 색션 커패시터를 갖춘 세 개의 조셉슨 결합을 가진 플럭스 큐비트를 제안하며, 높은 비조화성(2π × 3.69 GHz), 긴 에너지 회복 시간(40 µs), 그리고 스피너-에코 비편위 시간(9.4 µs)을 달성한다. 이 장치는 나노초 수준의 단일 큐비트 게이트를 99.92%의 무작위 기반 기준 정확도로 수행할 수 있으며, 빠르고 고정밀도의 이중 큐비트 연산 및 큐튜리트 상태를 이용한 다수준 양자 논리의 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

We present the design and characterization of a three-Josephson-junction superconducting loop circuit with three large shunt capacitors. Used as a qubit, the circuit shows long energy-relaxation times, of the order of 40 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$s and a spin-echo dephasing time of 9.4 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$s. The circuit has high anharmonicity, of 2$\pi$$ imes$3.69 GHz. We extract the multilevel relaxation and dephasing rates of the circuit used as a qutrit and discuss the possible sources for the decoherence. The high anharmonicity allows for fast qubit control with nanosecond-range gate durations and a measured average gate fidelity of 99.92%, characterized by randomized benchmarking. These results demonstrate interesting potential use for fast nanosecond-time-scale two-qubit gates and multilevel quantum logic.

연구 동기 및 목표

• 빠르고 고정밀도의 양자 게이트를 가능하게 하기 위해 동시에 긴 공명 시간과 높은 비조화성을 갖춘 초전도 플럭스 큐비트를 개발하기 위해.
• 커패시티브로 연결된 세 개의 접합을 가진 플럭스 회로에서의 다수준 동역학과 비공명을 특성화하기 위해.
• 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 적합한 고정밀도의 나노초 수준의 게이트 연산을 구현하기 위해.
• 고비조화성 플럭스 큐비트에서 지배적인 비공명 메커니즘을 규명하고 분석하기 위해.
• 공학적으로 설계된 큐튜리트 상태를 이용한 빠른 이중 큐비트 게이트 및 다수준 양자 논리의 가능성 탐색하기 위해.

제안 방법

• 전하 및 플럭스 노이즈를 감소시키기 위해 세 개의 큰 평면형 색션 커패시터를 갖춘 세 개의 조셉슨 결합 초전도 루프의 설계.
• 정확한 회로 모델링을 위해 커패시턴스 매트릭스 값을 결정하기 위해 유한요소 전자기 시뮬레이션의 활용.
• 큐비트에 연결된 공면파일드(CPW) 공진기를 통해 분산형 독출 구현.
• 단일 큐비트 연산의 평균 게이트 정확도 측정을 위해 랜덤라이즈드 레퍼런싱의 적용.
• CPMG 및 라마지 실험을 통해 다수준의 회복 및 비편위율 추출.
• 결합부의 위상 차이와 트랩된 전하의 게이트 전압을 고려한 운동에너지 및 위치에너지 항을 사용한 회로 해밀토니안 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고비조화성 커패시티브로 연결된 플럭스 큐비트에서 큐튜리트로 사용할 경우, 다수준의 회복 및 비편위율은 어떻게 되는가?
• RQ2 이 설계에서 에너지 회복(T1)과 스피너-에코 비편위(T2*)는 비조화성과 노이즈 원천에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 이 시스템에서 단일 큐비트 연산의 가능 연산 속도와 정확도는 어느 정도인가?
• RQ4 이 고비조화성 플럭스 큐비트 아키텍처에서 지배적인 비공명 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 이 설계는 빠르고 고정밀도의 이중 큐비트 게이트 및 다수준 양자 논리를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 큐비트는 에너지 회복 시간(T1)이 40 µs이고, 스피너-에코 비편위 시간(T2*)이 9.4 µs로, 긴 공명을 나타낸다.
• 장치는 높은 비조화성 2π × 3.69 GHz를 달성하여, π/2 펄스에 대해 1.62 ns, π 펄스에 대해 2.64 ns의 빠른 단일 큐비트 게이트를 가능하게 한다.
• 랜덤라이즈드 레퍼런싱 결과 평균 게이트 정확도가 99.92%로 나타나 높은 게이트 품질을 입증한다.
• 다수준 동역학이 특성화되었으며, 큐튜리트로 사용할 경우 0–1 및 1–2 전이에 대해 측정 가능한 회복 및 비편위율이 확인되었다.
• 큰 비조화성은 불필요한 전이를 억제하고 개별 수준의 선택적 제어를 가능하게 한다.
• CPMG 실험을 통한 노이즈 스펙트럼 분석 결과, 1/|ω|δ 유형의 노이즈가 특히 저주파수에서 비편위의 주요 원인임을 밝혀냈다.