[논문 리뷰] Extensible circuit-QED architecture via amplitude- and frequency-variable microwaves

Agustín Di Paolo, Catherine Leroux외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 17.

Optical Network Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고정 주파수 트랜스몬 큐비트와 마이크로파 구동 가능한 가변 커플러를 사용한 확장 가능한 초전도 회로-QED 아키텍처를 제안한다. 이는 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 가능하게 한다. 드라이브의 진폭과 주파수를 조절함으로써 선택적이고 빠른(50–120 ns) 제어된-파이 게이트를 실현하며, 예측된 평균 성능은 99.9%를 초과한다. 동시에 비정상적인 상호작용은 하이브리드 섭동 이론 및 플로케이 이론 프레임워크를 통해 억제되며, 이는 강건한 펄스 형상화와 주파수 할당을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We introduce a circuit-QED architecture combining fixed-frequency qubits and microwave-driven couplers. In the appropriate frame, the drive parameters appear as tunable knobs enabling selective two-qubit coupling and coherent-error suppression. We moreover introduce a set of controlled-phase gates based on drive-amplitude and drive-frequency modulation. We develop a theoretical framework based on Floquet theory to model microwave-activated interactions with time-dependent drive parameters, which we also use for pulse shaping. We perform numerical simulations of the gate fidelity for realistic circuit parameters, and discuss the impact of drive-induced decoherence. We estimate average gate fidelities beyond $99.9\%$ for all-microwave controlled-phase operations with gate times in the range $50-120\,\mathrm{ns}$. These two-qubit gates can operate over a large drive-frequency bandwidth and in a broad range of circuit parameters, thereby improving extensibility. We address the frequency allocation problem for this architecture using perturbation theory, demonstrating that qubit, coupler and drive frequencies can be chosen such that undesired static and driven interactions remain bounded in a multi-qubit device. Our numerical methods are useful for describing the time-evolution of driven systems in the adiabatic limit, and are applicable to a wide variety of circuit-QED setups.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 실현하면서 큐비트의 코herence를 유지하는 확장 가능하고 스케일러블한 회로-QED 아키텍처를 개발하는 것.
• 마이크로파 구동 커플러를 사용하여 다중 큐비트 초전도 장치에서의 주파수 혼잡함과 교차 간섭을 해결하는 것.
• 최적화된 주파수 할당과 드라이브 파rameter 스케줄링을 통해 비활성 큐비트에서의 정적 및 구동 ZZ 상호작용을 억제하는 것.
• 가변 큐비트나 복잡한 플럭스 제어를 요구하지 않는 시간에 따라 변하는 드라이브 파rameter를 사용하여 빠르고 고정밀도의 제어된-파이 게이트를 실현하는 것.
• 섭동 이론과 플로케이 이론을 조합한 이론적 프레임워크를 개발하여 회로 QED에서 시간에 따라 변하는 구동 상호작용을 모델링하는 것.

제안 방법

• 고정 주파수 트랜스몬 큐비트와 마이크로파 구동 커플러 모드를 갖는 이중 큐비트 아키텍처를 도입하며, 드라이브 파rameter를 커플링 조절용 가변 노브로 사용한다.
• 하이브리드 이론적 접근: 약한 구동 영역에 대해서는 섭동 이론을, 비섭동적이고 시간에 따라 변하는 드라이브 파rameter에 대해서는 수정된 플로케이 이론을 적용한다.
• 플로케이 준에너지 스펙트럼 기반의 펄스 형상화 전략을 개발하여 비다이아바틱 전이와 누출을 최소화한다.
• 이중 단계 최적화 프레임워크를 사용: 먼저 정적 ZZ 상호작용과 디스퍼시브 커플링 비율을 최소화하고, 그 다음로 불필요한 구동 상호작용을 제한하면서 게이트 속도를 최대화한다.
• 다중 마이크로파 드라이브를 모델링하기 위해 확장된 공간 해밀토니안 형식을 적용하며, 드라이브 위상은 동역학 변수로 간주하고 쌍대 운동량을 부여한다.
• 드라이브 주파수를 효과적인 각속도 벡터 $\bm{\omega}_{\mathrm{eff}}(t) = \dot{\bm{\theta}}(t)$ 를 통해 포함하는 시간에 따라 변하는 효과적 해밀토니안을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로파 구동 커플러는 가변 큐비트가 없이도 고정 주파수 초전도 큐비트 아키텍처에서 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 드라이브 진폭과 주파수 조절을 통해 원하는 ZZ 상호작용을 선택적으로 강화하고 불필요한 커플링을 억제할 수 있는가?
• RQ3 플로케이 이론은 드라이브 파arameter의 느린 변화를 어떻게 적응시켜 아디아바틱성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 다중 큐비트 격자에서 정적 및 구동 ZZ 상호작용을 최소화하는 주파수 할당 전략은 무엇인가?
• RQ5 섭동 이론과 비섭동적 플로케이 방법의 조합이 실제 회로 파arameter 하에서 게이트 성능을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 아키텍처는 50에서 120 ns 사이의 게이트 시간 동안 소산을 포함한 경우에도 평균 이중 큐비트 게이트 성능이 99.9%를 초과한다.
• 드라이브 유도 코herence 손실이 정량적으로 분석되었으며, 이 프레임워크는 실제 회로 파aram터와 불순물에 대해 강건함을 보였다.
• 넓은 드라이브 주파수 대역폭에서 작동 가능하여 확장성과 주파수 혼잡함에 대한 저항력이 크게 향상되었다.
• 섭동 이론과 플로케이 기반 시뮬레이션 간에 뛰어난 정량적 일치를 보였으며, 자가에너지 및 ZZ 상호작용 비율에 대한 다이어그램적 및 분석적 접근의 타당성을 검증하였다.
• 최적화된 주파수 레이아웃은 정적 ZZ 상호작용을 20 kHz 이하, 디스퍼시브 커플링 비율을 0.05 이하로 유지하여 불필요한 상호작용을 최소화하였다.
• 이중 단계 최적화 과정은 원하는 이중 큐비트 게이트 속도를 최대화하면서도 비활성 큐비트 상호작용이 제한된 운영 점을 성공적으로 식별하였다.