[논문 리뷰] High-fidelity parametric beamsplitting with a parity-protected converter

Yao Lu, Aniket Maiti외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 02.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 69인용 수 7

한 줄 요약

논문은 두 고-Q 마이크로파 캐비티 사이의 빠르고 높은 충실도의 parametric beamsplitter를, differential하게 구동되는 parity-protected DC-SQUID converter를 사용해 구현하여 커플러 유발 decoherence를 억제하고 99.98% 이상의 빔스플리터 충실도를 달성합니다.

ABSTRACT

Fast, high-fidelity operations between microwave resonators are an important tool for bosonic quantum computation and simulation with superconducting circuits. An attractive approach for implementing these operations is to couple these resonators via a nonlinear converter and actuate parametric processes with RF drives. It can be challenging to make these processes simultaneously fast and high fidelity, since this requires introducing strong drives without activating parasitic processes or introducing additional decoherence channels. We show that in addition to a careful management of drive frequencies and the spectrum of environmental noise, leveraging the inbuilt symmetries of the converter Hamiltonian can suppress unwanted nonlinear interactions, preventing converter-induced decoherence. We demonstrate these principles using a differentially-driven DC-SQUID as our converter, coupled to two high-Q microwave cavities. Using this architecture, we engineer a highly-coherent beamsplitter and fast ($\sim$ 100 ns) swaps between the cavities, limited primarily by their intrinsic single-photon loss. We characterize this beamsplitter in the cavities' joint single-photon subspace, and show that we can detect and post-select photon loss events to achieve a beamsplitter gate fidelity exceeding 99.98$\%$, which to our knowledge far surpasses the current state of the art.

연구 동기 및 목표

• 보손 양자 계산 및 시뮬레이션을 위한 마이크로파 공진기 간의 빠르고 높은 충실도의 두 모드 상호작용을 동기부여한다.
• Prior beamsplitters를 제한하는 기생 프로세스와 구동으로 인한 decoherence를 다룬다.
• 대칭성(parity protection)과 차등 구동을 활용하여 원치 않는 비선형 상호작용을 억제한다.
• 고-Q 캐비티 두 개 사이의 빔스플리터를 시연하고, 일관성은 주로 고유 광손실에 의해 제한된다.

제안 방법

• 대칭 DC-SQUID(parity-protected)를 비선형 컨버터로 사용하여 두 개의 고-Q 캐비티를 연결한다.
• 버퍼(λ/4 모드)를 통해 컨버터를 차등 구동하여 공동 간의 공진적이고 조정 가능한 빔스플리터를 구현한다.
• Derive a beamsplitter Hamiltonian with g_BS proportional to J1(|φ_d1|)J1(|φ_d2|) and Δ_BS = Δ_ab − Δ_d + Δ_Z,ab.
• 커플러를 바닥 상태로 유지하고 구동으로 인한 들뜸을 억제하기 위해 차등 구동을 설계한다.
• 합동 단일광자 부분공간(듀얼-레일 큐비트)에서 성능을 특성화하고 누출 탐지가 있는 무작위 벤치마킹을 수행한다.
• 게이트 성능을 평가하기 위해 κ_BS와 g_BS로부터 소멸에 의한 충실도를 추정한다.

Figure 1: The differentially driven SQUID as a parity protected converter. a , The symmetric DC-SQUID contains two orthogonal modes SQUIDModesLecocq2011 ; KamalSQUIDModes , the common mode (coupler) and the differential mode (actuator). We selectively couple the former to two bosonic modes and the l

실험 결과

연구 질문

• RQ1 parity-protected, differential-drive 변환기가 두 개의 고-Q 캐비티 사이에서 빠르고 높은 충실도의 빔스플리팅을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 매개변수 빔스플리팅 수행 시 지배적 소멸 채널은 무엇이며, 대칭 억제가 커플러 유발 오차를 완화할 수 있는가?
• RQ3 현실적인 구동 강도와 손실 하에서 단일 광자(듀얼-레일) 부분공간에서 빔스플리터의 성능은 어떠한가?
• RQ4 광자 손실 이벤트에 대한 후선정(post-selection)으로 실효 게이트 충실도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 위에서 시연한 듀얼-레일 빔스플리터를 넘어 다른 보손 모드나 다중 모드 연산으로 이 접근법이 확장 가능할까?

주요 결과

• 빔스플리터는 작동 지점에서 g_BS/2π > 5 MHz를 달성한다.
• 소멸에 의해 제한된 충실도는 다양한 구동 강도에서 99.9%를 초과한다.
• 운전 진폭이 작동 지점까지 올라가도 커플러의 들뜸은 무시할 수 있을 정도로 남아 있으며 구동에 따라 단조로운 증가를 보이지 않는다.
• 커플러의 가열은 교환당 약 ~4×10^−5 들뜸 이하로 억제되어 비구동 배경 수준과 일치한다.
• 원시 무작위 벤치마킹은 선택되지 않은 빔스플리터의 유효 충실도 99.941(1)%를 산출하고, 누출 탐지 충실도는 99.985(1)%이다.
• 충실도는 궁극적으로 캐비티 광손실에 의해 제한되며, 보손 인코딩에 유리한 노이즈 편향을 보존한다.

Figure 2: Beamsplitting with the differentially-driven SQUID. a , Beamsplitting implements an effective driven Rabi evolution in the Bloch sphere of the dual-rail qubit formed by the single photon subspace Alice and Bob, where decay can be detected by monitoring the vacuum state. b , Resonant evolut