[논문 리뷰] Demonstration of the Two-Fluxonium Cross-Resonance Gate

Ebru Doğan, Dario Rosenstock외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 계산 서브스페이스 내에서만 작동하며 반자성량의 절미점에서 전체적으로 작동하는 고속의 전체 마이크로파 크로스레온런스(CR) CNOT 게이트를 두 개인 플럭스오니움 큐비트 간에 구현한다. 이 게이트는 70 ns 내에 99.49(6)%의 편의도를 달성하며, 비틀림 조절이나 비계산 상태의 인구를 피하면서 공명을 유지한다. 이는 초전도 큐비트 프로세서에서 고정밀도, 공명 최적화 이중 큐비트 연산으로 향한 핵심 단계를 나타낸다.

ABSTRACT

The superconducting fluxonium qubit has a great potential for high-fidelity quantum gates with its long coherence times and strong anharmonicity at the half flux quantum sweet spot. However, current implementations of two-qubit gates compromise fluxonium's coherence properties by requiring either a temporary population of the non-computational states or tuning the magnetic flux off the sweet spot. Here we realize a fast all-microwave cross-resonance gate between two capacitively-coupled fluxoniums with the qubit dynamics well confined to the computational space. We demonstrate a direct CNOT gate in 70 ns with fidelity up to $\mathcal{F}=0.9949(6)$ despite the limitations of a sub-optimal measurement setup and device coherence. Our results project a possible pathway towards reducing the two-qubit error rate below $10^{-4}$ with present-day technologies.

연구 동기 및 목표

• 반자성량의 절미점에서 벗어나지 않는 방식으로 고공명을 유지하는 플럭스오니움 큐비트를 위한 이중 큐비트 게이트를 개발하기 위해.
• 동적 비틀림 제어나 조절 가능한 커플러가 필요 없도록 오직 마이크로파 드라이브만을 사용해 크로스레온런스 게이트를 구현하기 위해.
• 계산 서브스페이스에 엄격히 국한된 상태에서 고정밀도 이중 큐비트 연산을 달성하기 위해.
• 플럭스오니움의 강한 이하나모닉리티가 비계산 상태를 인구에 포함시키지 않고도 고속, 고정밀도 게이트를 가능하게 하며 공명을 유지할 수 있음을 입증하기 위해.
• 기존 기술로 10⁻⁴ 이하의 이중 큐비트 오류율을 달성할 수 있는 길을 제시하기 위해.

제안 방법

• 두 플럭스오니움 큐비트는 용량 결합되어 반자성량의 절미점에서 작동하여 공명을 최대화한다.
• 제어 큐비트를 대상 큐비트의 전이 주파수에서 드라이브하여 크로스레온런스 상호작용을 유도하고 CNOT 연산을 수행한다.
• 플럭스오니움의 큰 이하나모닉리티와 행렬 요소의 계층적 구조를 활용해 최소한의 펄스 형태 조정으로 게이트를 구현한다.
• 비계산 상태를 인구에 포함시키지 않거나 절미점에서 큐비트 주파수를 이격시키지 않고 게이트를 작동시킨다.
• 펄스 램프 시간을 2 ns로 단축시켜도 편의도에 영향을 주지 않아 고속 펄스에 대한 강건성을 입증한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 단위 및 비단위 오차와 같은 게이트 오차 원인을 모델링하고 최적화를 안내한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반자성량의 절미점에서 벗어나지 않고도 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 플럭스오니움 큐비트에서 실현할 수 있는가?
• RQ2 강한 이하나모닉리티와 선택 규칙으로 인해 크로스레온런스 게이트 메커니즘이 플럭스오니움 큐비트에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ3 계산 서브스페이스에 국한되고 오직 마이크로파 드라이브만을 사용할 경우, 달성 가능한 게이트 편의도와 속도는 무엇인가?
• RQ4 공명 시간과 리프레시 및 디코herence와 같은 오차 원인이 이 구성에서 게이트 성능을 어떻게 제한하는가?
• RQ5 현재 장치 파rameter와 약간의 개선만으로도 게이트 편의도를 10⁻⁴ 이하의 오류율로 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 70 ns 내에 직접 CNOT 게이트를 99.49(6)%의 편의도로 실현하여 계산 서브스페이스 내에서 고성능 작동을 입증하였다.
• 게이트 편의도가 자유 진동 공명 한계에 매우 가까워, 10⁻³ 수준에서 숨겨진 제어 오차나 디코herence가 없음을 시사한다.
• 2 ns의 매우 짧은 펄스 램프 시간이 편의도에 측정 가능한 영향을 주지 않아 고속 펄스에 대한 강건성을 강조한다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 펄스 반사 문제를 해결하면 40 ns의 게이트 속도가 최적일 수 있음을 시사한다.
• 공명 시간을 향상시킬 경우(예: T₂ > 200 μs), 50 ns 게이트 시간에서 공명 제한 오류율 2×10⁻⁴를 예측할 수 있다.
• 시스템은 파arameterized 제어 유니터리 연산, 즉 CYπ 및 임의의 단일 큐비트 회전을 포함하여 더 넓은 양자 알고리즘 적용을 지원할 것으로 기대된다.