[논문 리뷰] Long-distance transmon coupler with CZ gate fidelity above $99.8\%$

Fabian Marxer, Antti Vepsäläinen외 37명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 19.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트 간 거리가 최소 2 mm 이상일 경우에도 고정밀도 CZ 게이트를 가능하게 하기 위해 플로ating 트랜스몬 커플러와 파이프웨이브 확장기를 사용한 장거리 조정 가능한 커플러 아키텍처를 제안한다. 직접 용량 결합 대신 파이프웨이브를 통해 결합을 매개함으로써, 50 MHz 이상의 결합 강도를 유지하고 비근접 큐비트 상호작용을 감소시키며, 개별 큐비트 독출 공진기와 퍼셀 필터를 구현할 수 있다. 이로 인해 CZ 게이트의 정밀도는 99.81 ± 0.02%에 도달한다.

ABSTRACT

Tunable coupling of superconducting qubits has been widely studied due to its importance for isolated gate operations in scalable quantum processor architectures. Here, we demonstrate a tunable qubit-qubit coupler based on a floating transmon device which allows us to place qubits at least 2 mm apart from each other while maintaining over 50 MHz coupling between the coupler and the qubits. In the introduced tunable-coupler design, both the qubit-qubit and the qubit-coupler couplings are mediated by two waveguides instead of relying on direct capacitive couplings between the components, reducing the impact of the qubit-qubit distance on the couplings. This leaves space for each qubit to have an individual readout resonator and a Purcell filter needed for fast high-fidelity readout. In addition, the large qubit-qubit distance reduces unwanted non-nearest neighbor coupling and allows multiple control lines to cross over the structure with minimal crosstalk. Using the proposed flexible and scalable architecture, we demonstrate a controlled-$Z$ gate with $(99.81 \pm 0.02)\%$ fidelity.

연구 동기 및 목표

• 높은 비근접 근접 이웃 상호작용을 유발하는 단거리 큐비트 거리의 제약을 극복하기 위해.
• 강한, 조절 가능한 결합을 유지하면서 큐비트 간 물리적 간격을 증가시켜 스케일러블한 양자 프로세서 설계를 가능하게 하기 위해.
• 큐비트 간 거리 증가로 제어선의 교차 간섭을 줄이고, 개별 큐비트 독출 공진기 및 퍼셀 필터를 통합할 수 있도록 하기 위해.
• 큰 큐비트 간 거리와 최소한의 정적 ZZ 상호작용을 가진 시스템에서 고정밀도 이중 큐비트 게이트(특히 CZ)를 달성하기 위해.
• 파이프웨이브를 통한 결합이 장거리에서도 높은 결합 강도와 게이트 정밀도를 유지할 수 있음을 입증하여, 칩 레이아웃의 유연성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 외부 플럭스를 통해 조절 가능한 플로팅 트랜스몬 커플러를 구현하여 큐비트 간 결합을 동적으로 제어한다.
• 직접 용량 결합 대신 파이프웨이브 확장기를 사용해 커플러와 큐비트 간의 결합을 매개함으로써, 결합 강도를 큐비트 거리에서 독립적으로 만든다.
• 파이프웨이브 확장기에서 유래하는 효과적 랩드-엘리먼트 커패시턴스를 활용한 준-랩드-엘리먼트 회로 모델을 설계하여 결합 강도를 시뮬레이션한다.
• 큐비트와 커플러가 하부 칩에 위치하고 제어선이 상부 칩의 장거리 수직 전송선을 통해 교차하는 플립-칩 아키텍처를 적용한다.
• 다양한 교차 위치에서 구성 요소와 전송선 간의 커패시턴스 결합 비율을 계산하여 간섭을 시뮬레이션하고 최적화한다.
• 비근접 큐비트 상호작용(g13 등)을 평가하고 제어선 루팅에 적합한 낮은 간섭 영역을 특정하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조절 가능한 커플러가 최소 2 mm의 큐비트 간 거리에서도 50 MHz 이상의 높은 결합 강도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 직접 용량 결합 대비 파이프웨이브를 통한 결합이 비근접 이웃 상호작용을 현저히 감소시키는가?
• RQ3 2 mm 간격을 두고 큐비트를 배치한 아키텍처에서 개별 큐비트 독출 공진기와 퍼셀 필터를 통합할 수 있는가, 이로 인해 게이트 정밀도가 저하되지 않는가?
• RQ4 최소한의 정적 ZZ 상호작용을 가진 장거리 커플러 아키텍처에서 도달 가능한 CZ 게이트 정밀도는 얼마인가?
• RQ5 커플러의 플럭스 조절 특성과 코herence가 게이트 정밀도에 미치는 영향, 특히 스위트 스포트 근처에서 어떻게 작용하는가?

주요 결과

• 제안된 커플러 설계는 큐비트 간 거리가 1960 µm일 때 커플러와 각 큐비트 간에 50 MHz 이상의 결합 강도를 유지한다.
• 측정된 CZ 게이트 정밀도는 99.81 ± 0.02%에 도달하여 99.8% 기준선을 초과하며 고정밀도 이중 큐비트 작동을 입증한다.
• 시뮬레이션 결과, 큐비트 간 거리 증가가 비근접 이웃 상호작용(g13)을 현저히 감소시켜 게이트 선택도를 향상시킨다.
• 파이프웨이브를 통한 결합 아키텍처는 커패시턴스 결합 비율 시뮬레이션을 통해 구조 위를 지나는 다수의 제어선이 낮은 간섭을 보임을 확인한다.
• 결합된 모드의 효과적 디코herence 시간은 개별 큐비트와 커플러의 디코herence 시간에 가중 평균을 적용하여 계산되었으며, 이는 높은 게이트 정밀도를 뒷받침한다.
• 3.8 GHz에서 날카운 디코herence 특징이 관측되었으며, 이는 스펙트럴 활성화된 이중준위계통(TLS) 때문으로 추정되나, 게이트 성능에 크게 영향을 주지 않는다.