[논문 리뷰] High-contrast ZZ interaction using multi-type superconducting qubits

Peng Zhao, Peng Xu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 18.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반대 부호의 이강성 비선형성을 가진 큐비트를 사용하여 고대비 ZZ 상호작용을 달성하는 확장 가능한 초전도 양자 아키텍처를 제안한다. ZZ 결합의 강한 케이블/해제 제어를 통해 잔여 ZZ 교차 캐리지(crosstalk)를 억제하고, CZ 및 iSWAP와 같은 고신뢰도 이큐비트 게이트를 실현하여 다큐비트 시스템에서 성능을 향상시킨다.

ABSTRACT

For building a scalable quantum processor with superconducting qubits, the ZZ interaction is of great concert because of relevant for implementing two-qubit gates, and the close contact between gate infidelity and its residual. Two-qubit gates with fidelity beyond fault-tolerant thresholds have been demonstrated using the ZZ interaction. However, as the performance of quantum processor improves, the residual static-ZZ can also become a performance-limiting factor for quantum gate operations and quantum error correction. Here, we introduce a scalable superconducting architecture for addressing this challenge. We demonstrate that by coupling two superconducting qubits with opposite-sign anharmonicities together, high-contrast ZZ interaction can be realized in this architecture. Thus, we can control ZZ interaction with high on/off ratio for implementing two-qubit CZ gate, or suppress it during the two-qubit gate operations using XY interaction (e.g. iSWAP). Meanwhile, the ZZ crosstalk related to neighboring spectator qubits can also be heavily suppressed in fixed coupled multi-qubit systems. This architecture could provide a promising way towards scalable superconducting quantum processor with high gate fidelity and low qubit crosstalk.

연구 동기 및 목표

• 고성능 초전도 양자 프로세서에서 게이트 신뢰도와 오류 수정을 제한하는 잔여 정적-ZZ 상호작용의 증가하는 문제를 해결한다.
• 고정 결합 다큐비트 시스템에서 인접한 관찰자 큐비트로부터 유도되는 ZZ 교차 캐리지로 인한 성능 제약을 극복한다.
• 이큐비트 게이트 작동 중 ZZ 상호작용을 강하게 케이블하거나 효과적으로 끄는 정밀 제어가 가능한 확장 가능한 아키텍처를 개발한다.
• XY 상호작용을 활용하면서 해로운 ZZ 결합을 억제함으로써 고신뢰도 이큐비트 게이트(예: CZ 및 iSWAP)를 달성한다.

제안 방법

• 반대 부호의 이강성 비선형성을 가진 초전도 큐비트를 결합하여 고대비 ZZ 상호작용을 생성한다.
• 공학적으로 설계된 이강성 비선형성 대비를 활용해 ZZ 결합의 강도와 부호를 동적으로 제어한다.
• XY 상호작용(예: iSWAP)을 사용하여 이큐비트 게이트를 구현하면서, ZZ 결합의 고온/오프 비율을 통해 잔여 ZZ 상호작용을 능동적으로 억제한다.
• 고정 결합 다큐비트 아키텍처를 설계하여, 고대비 상호작용 메커니즘 덕분에 이웃 큐비트로부터의 ZZ 교차 캐리지가 크게 감소한다.
• ZZ 상호작용의 조정 가능성을 활용해 게이트 작동을 불필요한 ZZ 유도 신뢰도 손실에서 분리한다.
• 고정 결합 레이아웃에서 다수의 큐비트 쌍에 걸쳐 일관된 ZZ 상호작용 제어를 유지함으로써 확장성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반대 이강성 비선형성을 가진 큐비트를 사용한 확장 가능한 초전도 아키텍처에서 고대비 ZZ 상호작용을 달성할 수 있는가?
• RQ2 iSWAP와 같은 XY 기반 게이트를 사용할 때, 이큐비트 게이트 작동 중 잔여 ZZ 상호작용을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 제안된 아키텍처는 고정 결합 다큐비트 시스템에서 이웃 관찰자 큐비트로부터의 ZZ 교차 캐리지를 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ4 ZZ 결합의 고온/오프 비율이 고신뢰도 이큐비트 게이트의 신뢰도를 고장내성 임계값을 초월해 향상시키는 데 기여하는가?
• RQ5 이 아키텍처는 낮은 큐비트 교차 캐리지와 고신뢰도를 유지하면서도 확장 가능한 양자 처리를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 반대 부호의 이강성 비선형성을 가진 초전도 큐비트를 결합함으로써 고대비 ZZ 상호작용이 성공적으로 실현되었다.
• ZZ 상호작용은 고온/오프 비율이 높아 이큐비트 게이트 작동 중 효과적으로 억제될 수 있다.
• 잔여 정적-ZZ 상호작용이 크게 감소하여 고신뢰도 게이트 작동의 성능 제약 요소로서의 역할이 완화되었다.
• 고정 결합 다큐비트 시스템에서 이웃 관찰자 큐비트로부터의 ZZ 교차 캐리지가 공학적으로 설계된 상호작용 대비 덕분에 크게 억제되었다.
• 게이트 작동을 불필요한 ZZ 결합에서 분리함으로써 CZ 및 iSWAP와 같은 고신뢰도 이큐비트 게이트를 지원하는 아키텍처가 구현되었다.
• 제안된 설계는 낮은 게이트 신뢰도 손실과 최소한의 큐비트 교차 캐리지를 가진 고장내성 초전도 양자 프로세서로 향하는 확장 가능한 길을 제공한다.