[논문 리뷰] Efficient cavity control with SNAP gates

Thomas Fösel, Stefan Krastanov외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 29.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 회로 양자전자역학(circuit QED)에서 마이크로파 공진기를 위한 보편적이고 고정밀도 제어를 달성하기 위해 SNAP 게이트와 공진기 이송을 사용하는 계층적 최적화 기법을 제안한다. 기울기 기반 미세조정을 통해 제어 파rameter를 동시에 최적화함으로써, 게이트 시퀀스를 O(N²)에서 O(N)으로 줄여, 최대 50개의 게이트가 필요한 기존 기법에 비해 단 3~4개의 SNAP 게이트로도 효율적인 양자 연산을 구현할 수 있다.

ABSTRACT

Microwave cavities coupled to superconducting qubits have been demonstrated to be a promising platform for quantum information processing. A major challenge in this setup is to realize universal control over the cavity. A promising approach are selective number-dependent arbitrary phase (SNAP) gates combined with cavity displacements. It has been proven that this is a universal gate set, but a central question remained open so far: how can a given target operation be realized efficiently with a sequence of these operations. In this work, we present a practical scheme to address this problem. It involves a hierarchical strategy to insert new gates into a sequence, followed by a co-optimization of the control parameters, which generates short high-fidelity sequences. For a broad range of experimentally relevant applications, we find that they can be implemented with 3 to 4 SNAP gates, compared to up to 50 with previously known techniques.

연구 동기 및 목표

• 게이트 기반 접근법을 통해 회로 QED에서 마이크로파 공진기의 보편적 제어를 효율적으로 실현하는 데 도전한다.
• 기존 기법들이 N 개의 포크 상태에 대해 최대 N²개의 SNAP 게이트가 필요로 하는 비효율성을 극복한다.
• 짧고 고정밀도의 게이트 시퀀스를 생성하기 위한 확장 가능하고 모듈러한 방법을 개발한다.
• 현재 장치의 코herence 시간 내에서 실용적인 공진기 제어를 가능하게 하기 위해 게이트 수와 실행 시간을 최소화한다.

제안 방법

• 목표 연산의 구조에 기반하여 새로운 SNAP 게이트와 이송을 시퀀스에 삽입하기 위한 계층적 전략을 적용한다.
• 정밀도를 향상시키기 위해 기울기 기반 최적화(기울기 역전파 유사 기법을 사용하는 Adam 최적화기)를 통해 제어 파rameter를 동시에 최적화한다.
• 목표 단위행렬과 생성된 단위행렬 간의 추적 겹침을 기반으로 한 비용 함수를 통해 게이트 정밀도를 극대화한다: 𝒟[Û] ∼ |tr[Ṽ†Û]|.
• 낮은 광자 수 연산을 선호하기 위해 광자 수 비용 페널티(λ)를 통합하며, λ는 응용에 따라 조정된다.
• 두 단계 과정을 적용한다: 초기 시퀀스 구성 후 파arameter의 반복적 미세조정.
• 신경망을 사용하지 않고도 기계학습 기반 기법(예: 기울기 클리핑, 적응형 학습률)을 활용하여 효율적인 파arameter 탐색을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보편적 공진기 제어를 위한 짧은 SNAP 게이트와 이송 시퀀스를 체계적이고 확장 가능한 방법으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 N 개의 포크 상태에 대한 연산에서 필요한 SNAP 게이트 수를 O(N²)에서 O(N)으로 줄일 수 있는가?
• RQ3 최소한의 게이트 수로 고정밀도 제어를 달성하면서도 실험적으로 실현 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 기울기 기반 최적화가 파arameter 공간에서 브루트 포스나 히우리스틱 접근법보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 이 방법은 회로 QED에서 실험적으로 관련성이 있는 다양한 양자 연산으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 보편적 공진기 제어에 필요한 SNAP 게이트 수를 O(N²)에서 O(N)으로 줄여 제곱근의 속도 향상을 달성한다.
• N=10일 경우, 최대 50개의 게이트가 필요한 기존 기법에 비해 단 4개의 SNAP 게이트로 충분하며, 총 게이트 시간을 300–500 μs에서 20 μs 이하로 감소시킨다.
• 오직 4개의 SNAP 게이트로도 공진기 코드의 오류 수정을 고정밀도로 실현할 수 있어 실험적 실현 가능성은 크게 향상된다.
• 양자 오류 수정, 얽힘 생성, 상태 준비 등 다양한 응용 분야에서 뚜렷한 강건성을 보이며, 일관되게 고정밀도 시퀀스(정밀도가 1에 가까움)를 생성한다.
• 모든 필요한 게이트(SNAP 및 이송)가 이미 실험적으로 구현된 바가 있어, 현재 실험에 직접 적용 가능하다.