[논문 리뷰] Digital feedback in superconducting quantum circuits

Diego Ristè, L. DiCarlo|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 06.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 19인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이산적 프로젝션 측정과 조건부 연산을 사용하여 초전도 큐비트 회로에서 디지털 피드백 제어를 처음으로 구현한다. 이로 인해 결정론적인 큐비트 리셋과 얽힘 생성이 가능해졌으며, 측정 결과에 기반한 $\pi$ 펄스를 적용함으로써 목표 벨 상태를 100% 성공률로 준비하였다. $|\Phi^+\rangle$ 상태와의 허상도는 66%이며, 농도는 34%였다.

ABSTRACT

This chapter covers the development of feedback control of superconducting qubits using projective measurement and a discrete set of conditional actions, here referred to as digital feedback. We begin with an overview of the applications of digital feedback in quantum computing. We then introduce an implementation of high-fidelity projective measurement of superconducting qubits. This development lays the ground for closed-loop control based on the binary measurement result. A first application of digital feedback control is fast and deterministic qubit reset, allowing the repeated initialization of a qubit more than an order of magnitude faster than its relaxation rate. A second application employs feedback in a multi-qubit setting to convert the generation of entanglement by parity measurement from probabilistic to deterministic, targeting an entangled state with the desired parity every time.

연구 동기 및 목표

• 이산 측정 결과와 조건부 연산을 사용하여 초전도 큐비트에 대해 닫힌 루프 피드백 시스템을 개발한다.
• 피드백을 통해 양자 측정의 비결정론적 성격을 극복하여 원하는 양자 상태를 결정론적으로 준비한다.
• 반복적인 양자 알고리즘과 오류 수정에 적합한 빠르고 결정론적인 큐비트 초기화를 가능하게 한다.
• 패리티 측정을 통한 비결정론적 얽힘 생성을 피드백을 활용해 결정론적 과정으로 전환한다.
• 더 큰 양자 정보 처리 아키텍처에 통합 가능한 확장 가능하고 구성 가능한 피드백 제어를 구현한다.

제안 방법

• 확산 읽기 기법을 사용하여 초전도 큐비트의 고정밀도 프로젝션 측정을 구현한다.
• 이산 측정 결과에 기반하여 조건부 연산을 적용하기 위해 자체 제작한 프ogrammable 컨트롤러를 사용한다.
• 패리티 측정 결과가 $M_P = +1$일 경우 임계 전압 $V_{\text{th}}$를 기준으로 한 조건부로 $\pi$-펄스를 한 큐비트에 적용한다.
• 측정에 의해 유도되는 결정론적 AC 스타크 위상 이동을 보상하기 위해 조건부 펄스의 위상 $\varphi$를 조정한다.
• 목표 상태인 홀수 패리티 벨 상태 $|\Phi^+\rangle$와의 오버랩을 최대화하기 위해 피드백 위상을 $\varphi = (\pi - \varphi_e)/2$로 선택한다.
• 전체 상태 토모그래피를 수행하여 생성된 상태의 허상도와 얽힘 정도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 피드백 제어가 초전도 회로에 구현되어 결정론적 큐비트 초기화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 피드백를 사용하여 비결정론적 패리티 측정을 결정론적 얽힘 생성으로 전환할 수 있는가?
• RQ3 측정에 의해 유도되는 위상 이동을 보상하고 목표 상태의 허상도를 최대화하기 위한 최적의 피드백 전략은 무엇인가?
• RQ4 디지털 피드백는 허상도를 희생시키지 않고도 얽힘 생성의 성공률을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 속도, 신뢰성, 확장성 측면에서 디지털 피드백는 아날로그 또는 오픈 루프 프로토콜에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 디지털 피드백는 릴랙세이션 속도의 10배 이상 초과하는 성공률을 달성하여 빠르고 신뢰할 수 있는 큐비트 리셋을 가능하게 한다.
• 피드백 제어의 구현으로 목표 벨 상태 생성의 성공률가 100%에 도달하여 비결정론적 프로토콜을 결정론적 과정으로 전환하였다.
• 전체 상태 토모그래피를 통해 확인한 결과, 생성된 상태는 목표 $|\Phi^+\rangle$ 벨 상태와 66%의 허상도를 달성하였다.
• 농도 34%를 달성하여 잔여 디코herence와 위상 오차가 존재하더라도 상당한 정도의 얽힘을 나타내었다.
• 최적의 피드백 위상 $\varphi = (\pi - \varphi_e)/2$는 0.73$\pi$의 AC 스타크 위상 이동을 보상하며 목표 상태와의 오버랩을 최대화한다.
• 결정론적 얽힘 생성 효율($\mathcal{E} = 0.41$ ebits/run)은 낮은 농도에도 불구하고 후선별 기반 비결정론적 방법을 능가한다.