[논문 리뷰] Dynamically Reconfigurable Photon Exchange in a Superconducting Quantum Processor

Brian Marinelli, Jie Luo외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 06.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트 간 장거리, 스펙트럼 선택적 광자 교환을 매개하기 위해 플럭스 조절이 가능한 다중 모드 평면파이프(_CPW_) 버스 공진기로 구성된 역동적으로 재구성 가능한 광자 교환 네트워크를 제안하고 실험적으로 구현한다. 이 시스템은 고정된 결합 제약 없이 큐비트 얽힘 패턴을 회로 내에서 자유롭게 재구성할 수 있도록 프로그래밍 가능한 큐비트 연결성을 실현하며, 9.2 cm 거리에서 최대 0.9 MHz의 광자 교환 속도를 달성한다.

ABSTRACT

Realizing the advantages of quantum computation requires access to the full Hilbert space of states of many quantum bits (qubits). Thus, large-scale quantum computation faces the challenge of efficiently generating entanglement between many qubits. In systems with a limited number of direct connections between qubits, entanglement between non-nearest neighbor qubits is generated by a series of nearest neighbor gates, which exponentially suppresses the resulting fidelity. Here we propose and demonstrate a novel, on-chip photon exchange network. This photonic network is embedded in a superconducting quantum processor (QPU) to implement an arbitrarily reconfigurable qubit connectivity graph. We show long-range qubit-qubit interactions between qubits with a maximum spatial separation of $9.2~ ext{cm}$ along a meandered bus resonator and achieve photon exchange rates up to $g_{ ext{qq}} = 2π imes 0.9~ ext{MHz}$. These experimental demonstrations provide a foundation to realize highly connected, reconfigurable quantum photonic networks and opens a new path towards modular quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서에서 고정된 최근접 이웃 큐비트 연결성의 확장성 한계를 극복하기 위해.
• NISQ 시대의 양자 계산에서 효율적인 얽힘 생성을 위한 자유로운, 역동적으로 재구성 가능한 큐비트 연결성 그래프를 실현하기 위해.
• 원거리 큐비트 간 파라메트릭 광자 교환을 매개하기 위해 단일 조절 가능한 다중 모드 버스 공진기를 사용하여 회로 내에 광학적 네트워크를 실현하기 위해.
• 높은 정밀도의 스펙트럼 선택적 큐비트-큐비트 상호작용을 달성하고 장거리 얽힘 유지와 프로그래밍 가능한 라우팅을 실현하기 위해.
• 버스 플럭스 바이어스의 주파수 분할 다중화 마이크로파 제어를 통해 전부-대-전부 연결성을 실험적으로 실현 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 플럭스 조절이 가능한 다중 모드 평면파이프(CPW) 버스 공진기를 중심 결합 요소로 사용하여 초전도 트랜스몬 큐비트 간 파라메트릭 광자 교환을 매개한다.
• 버스 공진기는 다중 공진 모드를 지원하여 다중 주파수 작동과 큐비트 상호작용의 스펙트럼 필터링을 가능하게 한다.
• 버스에 외부 플럭스 바이어스를 시간 주기적으로 조절하여 시간 의존 해밀토니안의 푸리에 공간 분석을 통해 큐비트 간 파라메트릭 결합을 유도한다.
• 큐비트 주파수는 주파수 할당을 통해 최적화되어, 상호 간의 주파수 분리도를 극대화하고 불필요한 교차 간섭을 최소화하며, 효과적인 결합 속도를 최대 9 MHz까지 확보한다.
• 실험적 특성 분석은 스펙트럼 분석기 큐비트를 사용하여 버스 모드 스펙트럼을 매핑하고 회로 파rameter를 추출하며, 약한 결합 또는 이질적인 모드는 피팅에서 제외한다.
• 광자 라우팅 및 큐비트-큐비트 교환 동역학은 실온에서의 주파수 분할 다중화 마이크로파 드라이브를 통해 버스에 제어하여 프로그래밍 가능한 연결성을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 조절 가능한 다중 모드 버스 공진기가 초전도 큐비트 간에 역동적으로 재구성 가능한 장거리 광자 교환을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 파라메트릭으로 조절된 버스를 사용할 때, 비근접 큐비트 간에 도달할 수 있는 최대 광자 교환 속도는 얼마인가?
• RQ3 어떻게 하면 교차 간섭 없이 자유로운 큐비트 연결성 그래프를 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 아키텍처를 사용할 때, 장거리(최대 9.2 cm)에서 큐비트-큐비트 얽힘 품질이 어느 정도 유지되는가?
• RQ5 이 아키텍처는 외부 제어를 통해 다수의 큐비트 간에 프로그래밍 가능한 방향성 광자 라우팅을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 메ander형 버스 공진기 길이 9.2 cm에 걸쳐 큐비트 간 장거리 광자 교환이 실험적으로 확인되어 아키텍처의 확장성 검증을 완료하였다.
• 최대 0.9 MHz(g_qq = 2π × 0.9 MHz)의 광자 교환 속도가 실험적으로 달성되어 빠르고 양자역학적으로 안정된 상호작용이 가능함을 입증하였다.
• 큐비트 쌍 간 최소 주파수 이격도는 35 MHz로 측정되었으며, 이는 5–9 MHz의 효과적인 결합 속도를 제공하고 교차 간섭을 최소화함을 의미한다.
• 네 개의 다른 큐비트에 대해 파라메트릭 큐비트-버스 결합 속도를 측정한 결과, 큐비트 특화 피팅 없이 이론 예측과 강력한 일치를 보였다.
• 스펙트럼 분석을 통해 버스에 아홉 개의 고유 공진 모드 존재를 확인하였으며, Lamb 이격과 경계 효과로 인해 모드 n=1 및 n=8은 피팅에서 제외되었다.
• 세 개의 큐비트 간에 프로그래밍 가능한 방향성 광자 라우팅이 성공적으로 구현되어 플럭스 제어를 통한 연결성 그래프의 동적 재구성 가능성을 확인하였다.