[논문 리뷰] High-fidelity superconducting quantum processors via laser-annealing of transmon qubits

Eric Zhang, Srikanth Srinivasan외 20명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 15.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 고정 주파수 트랜스몬 큐비트를 고정밀도로 조정할 수 있는 확장 가능한 방법으로 레이저 열처리(LASIQ)를 제안하며, 이는 고신뢰성 양자 프로세서를 가능하게 한다. 레이저 열처리를 통해 조건부로 조절된 조셉슨 접합 저항을 조정함으로써, 저자들은 65큐비트 프로세서에서 주파수 할당 정밀도 18.5 MHz와 중앙값 98.7%의 이큐비트 게이트 허용 오차를 달성했으며, 큐비트의 공명성은 악화되지 않았다.

ABSTRACT

Scaling the number of qubits while maintaining high-fidelity quantum gates remains a key challenge for quantum computing. Presently, superconducting quantum processors with >50-qubits are actively available. For such systems, fixed-frequency transmons are attractive due to their long coherence and noise immunity. However, scaling fixed-frequency architectures proves challenging due to precise relative frequency requirements. Here we employ laser annealing to selectively tune transmon qubits into desired frequency patterns. Statistics over hundreds of annealed qubits demonstrate an empirical tuning precision of 18.5 MHz, with no measurable impact on qubit coherence. We quantify gate error statistics on a tuned 65-qubit processor, with median two-qubit gate fidelity of 98.7%. Baseline tuning statistics yield a frequency-equivalent resistance precision of 4.7 MHz, sufficient for high-yield scaling beyond 1000-qubit levels. Moving forward, we anticipate selective laser annealing to play a central role in scaling fixed-frequency architectures.

연구 동기 및 목표

• 50개 이상의 큐비트를 초과할 때 고정 주파수 초전도 양자 프로세서에서 주파수 간섭 문제를 해결한다.
• 게이트 허용 오차와 확장성에 제약을 주는 제작 과정에서 유발되는 주파수 변동(1–2%)을 극복한다.
• 정밀하고 간섭 없는 주파수 패턴을 확보하기 위해 제작 후 조정이 가능한 확장 가능한 방법을 개발한다.
• 조정 과정이 큐비트의 공명성 또는 게이트 성능을 떨어뜨리지 않도록 하여, 고장내성 준비 상태를 유지한다.

제안 방법

• 제작 후 조건부로 조절된 조셉슨 접합 저항을 열처리를 통해 조정함으로써 트랜스몬 큐비트 주파수를 정밀하게 제어할 수 있는 레이저 열처리(LASIQ)를 활용한다.
• 다이오드 구동 고체 레이저(532 nm)를 사용하여 시간에 따라 점진적인 노출을 통해 개별 큐비트에 집중시키며, 접합 저항을 단조롭게 증가시킨다.
• 중간 측정을 통한 적응형 저항 제어를 구현하여 목표 저항을 0.3% 이내로 조절하며, 이는 약 10 MHz의 주파수 정밀도에 해당한다.
• 충돌 없는 주파수 계획을 생성하고 처리 전에 조정 수율을 최적화하기 위해 몬테카를로 모델링을 적용한다.
• 조정 후 24시간 이내에 플라즈마 세척 및 플립-칩 bonding을 수행하여 접합 이격을 최소화하고 조정된 주파수 안정성을 유지한다.
• 시간 영역에서의 Duffing 모델과 가우시안-스퀘어 CR 펄스 및 로테이션 펄스를 사용한 시뮬레이션을 통해 이큐비트 게이트 허용 오차를 모델링하고 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 열처리가 대규모 고정 주파수 트랜스몬 격자에서 주파수 간섭을 해결할 수 있을 정도의 주파수 조정 정밀도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 LASIQ 조정 과정이 다중 큐비트 프로세서에서 큐비트의 공명성 또는 게이트 허용 오차를 떨어뜨리는가?
• RQ3 냉각 및 접합 후 전체 가공 과정을 거친 후 실용적인 주파수 할당 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ4 LASIQ의 기본 주파수 조정 정밀도(4.7 MHz)가 1000 큐비트 이상의 확장 가능한 제조에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 다음으로 가장 가까운 이웃 주파수 상호작용이 대규모 격자에서 조정 전략과 오류 보정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 냉각 및 접합을 포함한 전체 가공 과정에서의 경험적 주파수 할당 정밀도는 18.5 MHz였다.
• f₀₁(Rₙ) 상관관계로부터 유도된 기본 LASIQ 조정 정밀도는 4.7 MHz였으며, 이는 1000 큐비트 이상의 고수율 확장 제조에 충분했다.
• 65큐비트 Hummingbird 프로세서는 레이저 열처리 후 중앙값 98.7%의 이큐비트 게이트 허용 오차를 달성했다.
• 조정된 큐비트와 조정되지 않은 큐비트 간에 T₁(79 ± 16 μs) 또는 T₂(69 ± 26 μs)에 통계적으로 유의미한 차이가 없었으며, 이는 공명성 악화가 없음을 확인했다.
• 조정되지 않은 큐비트의 잔여 주파수 분산(σ_f ≈ 18.1 MHz)이 전체 정밀도를 제한하며, 이는 LASIQ 과정 자체가 원인이 아니다.
• 냉각 후 재냉각 안정성은 5.7 MHz로 측정되었으며, 이는 열 사이클링 데이터를 활용해 f₀₁ 예측 정확도를 향상시킬 수 있음을 시사한다.