[논문 리뷰] Demonstrating a long-coherence dual-rail erasure qubit using tunable transmons

Harry Levine, Arbel Haim외 111명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 17.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 56인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 두 resonantly-커플된 트랜스몬으로 형성된 초전도 이중-레일 큐비트가 T1 오류를 검출 가능한 소거로 변환하고, 이중-레일 부분공간에서 밀리초 규모의 코히런스와 높은 소거-검출 신뢰도를 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

Quantum error correction with erasure qubits promises significant advantages over standard error correction due to favorable thresholds for erasure errors. To realize this advantage in practice requires a qubit for which nearly all errors are such erasure errors, and the ability to check for erasure errors without dephasing the qubit. We demonstrate that a "dual-rail qubit" consisting of a pair of resonantly coupled transmons can form a highly coherent erasure qubit, where transmon $T_1$ errors are converted into erasure errors and residual dephasing is strongly suppressed, leading to millisecond-scale coherence within the qubit subspace. We show that single-qubit gates are limited primarily by erasure errors, with erasure probability $p_ ext{erasure} = 2.19(2) imes 10^{-3}$ per gate while the residual errors are $\sim 40$ times lower. We further demonstrate mid-circuit detection of erasure errors while introducing $< 0.1\%$ dephasing error per check. Finally, we show that the suppression of transmon noise allows this dual-rail qubit to preserve high coherence over a broad tunable operating range, offering an improved capacity to avoid frequency collisions. This work establishes transmon-based dual-rail qubits as an attractive building block for hardware-efficient quantum error correction.

연구 동기 및 목표

• 소거 큐비트가 완화된 오류 수정 임계값으로 가는 경로임을 동기부여한다.
• 이중-레일 큐비트가 트랜스мон T1 감쇠를 검출 가능한 소거 오류로 변환함을 보인다.
• 소거 오류가 남는 서브스페이스 오류를 능가하는 동안 이중-레일 부분공간에서 밀리초 규모의 코히런스를 시연한다.
• dephasing이 낮은 상태에서 중간 회로 소거 검출을 시연한다.
• 광범위한 조정 가능 범위를 따라 이중-레일 동작의 강건성을 보여준다.

제안 방법

• 두 개의 공진으로 결합된 두 트랜스몬을 사용하여 대칭 및 비대칭 상태 |0L>와 |1L>에 이중-레일 큐비트를 인코딩한다. 이는 |01>와 |10>에서 파생된다.
• 결합 강도 g로 공진에서 Q1과 Q2를 연결하여 ED R ≈ sqrt((2g)^2 + δ^2)인 에너지 간격을 얻는다.
• 주파수 2g/2π = 180 MHz에서 Q2의 플럭스 변조를 통해 단일 큐비트 게이트를 수행한다.
• |0L>,|1L>를 |01>,|10>로 매핑하기 위해 트랜스몬을 서서히 분리시켜 준 뒤 공동으로 읽어낸다.
• 이중-레일이 |00>에 있을 때와 논리 서브스페이스에 있을 때의 분산 이동에 의존하는 보조 큐비트 Q3를 사용하여 중간 회로 소거 검사를 구현한다.
• 최종 읽기와 중간 회로 소거 검사로 누설에 대한 코히런스 측정을 포스트 셀렉트하여 서브스페이스 다이내믹스를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중-레일 큐비트가 트랜스몬 T1 오류를 검출 가능한 소거로 변환하여 큰 소거 바이어스를 얻을 수 있는가?
• RQ2 소거 오류가 남은 서브스페이스 오류를 지배하는 동안 이중-레일 부분공간의 코히런스 특성은 어떠한가?
• RQ3 중간 회로 소거 검출이 낮은 디피징과 높은 신뢰도로 수행될 수 있는가?
• RQ4 스위트 스폿에서 멀어진 넓은 작동 포인트에서 이중-레일 큐비트가 강건한가?
• RQ5 소거 검사로 무작위 벤치마킹을 수행했을 때 게이트 신뢰도와 소거/오류 비율은 어떠한가?

주요 결과

• 게이트당 소거 오류 확률은 p_erasure = 2.19(2) × 10^-3으로 X90 게이트에서 나타난다.
• 잔여(비소거) 오류 확률은 5.06(6) × 10^-5로, 소거 잡음 바이어스는 43(1)이다.
• 중간 회로 소거 검사는 각 검사에서 0.1% 미만의 디피징 오류를 달성하며 소거를 검출한다.
• 듀얼-레일 T1은 906(15) μs로 외삽되고, 듀얼-레일 부분공간에서의 T2(CPM G)는 0.543–1.25 ms로 N(CPMG)에 따라 달라진다.
• 소거 수명 Teras 약 30 μs로, 쉬는 오류에 대해 T2/Teras ≥ 20의 소거 노이즈 바이어스를 가능하게 한다.
• 듀얼-레일 코히런스는 4.96 GHz에서 TLS 유도된 움푹함에 근접하지 않는 한 350 MHz 범위의 작동 지점에서 수 백 μs의 범위를 유지한다.