[논문 리뷰] Mitigating coherent leakage of superconducting qubits in a large-scale quantum socket

Thomas McConkey, J. H. Béjanin외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트에서 비협동적 누출 오차를 줄이기 위해 대규모 양자 소켓 내 3차원 도체를 사용하여, 불필요한 공진 모드를 큐비트 주파수에서 떼어내는 두 가지 방법—반파장 장벽 형성과 반절점 고정—을 제안한다. 시뮬레이션 결과, 이러한 방법으로 비협동적 누출 오차가 약 10⁻⁵ 수준으로 감소하여 비협동 오차율보다 크게 낮아지며, 100개 이상의 큐비트를 갖는 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A practical quantum computer requires quantum bit (qubit) operations with low error rates in extensible architectures. We study a packaging method that makes it possible to address hundreds of superconducting qubits by means of three-dimensional wires: The large-scale quantum socket. A qubit chip is housed in a superconducting box, where both box and chip dimensions lead to unwanted modes that can interfere with qubit operations. We theoretically analyze these interference effects in the context of qubit coherent leakage. We propose two methods to mitigate the resulting errors by detuning the resonance frequency of the modes from the qubit frequency. We perform detailed electromagnetic field simulations indicating that the resonance frequency of the modes increases with the number of installed three-dimensional wires and can be engineered to be significantly higher than the highest qubit frequency. Finally, we show preliminary experimental results towards the implementation of a large-scale quantum socket.

연구 동기 및 목표

• 패키징 과정에서 발생하는 불필요한 공진 모드로 인한 대규모 초전도 큐비트 아키텍처의 비협동적 누출 오차를 해결하기 위해.
• 제어 및 차폐를 위한 3차원 도체를 사용한 대규모 양자 소켓을 활용한 확장 가능한 패키징 솔루션을 개발하기 위해.
• 큐비트 운영에 사용되는 동일한 도체를 통해 공진 모드 주파수를 큐비트 주파수에서 떨어지게 하여 비협동 오차를 완화하기 위해.
• 시뮬레이션과 초도 실험을 통해 3차원 도체가 불필요한 모드로의 누출을 억제하면서 동시에 큐비트 제어 기능을 수행할 수 있음을 입증하기 위해.
• 비협동 오차율 이하로 비협동 오차를 낮춤으로써 고장 내성 양자 컴퓨팅을 실현하기 위해.

제안 방법

• 논문은 양자 소켓의 금속 케이지와 연결된 불필요한 공진 모드에 의한 영향을 비협동적 누출 오차로 모델링하며, 이는 쇼트 서킷 효과를 유도하는 디폴라라이징 채널로 간주된다.
• 반파장 장벽 형성: 3차원 도체를 반파장 간격으로 배치하여 큐비트 위치에서 간섭 최소화를 통해 모드 진폭을 억제한다.
• 반절점 고정: 불필요한 모드의 반절점에 도체를 배치하여 그 공진 주파수를 큐비트 주파수에서 떨어지게 한다.
• 전자기장 시뮬레이션을 통해 Xmon 트랜스몬 큐비트가 공진 모드와 결합된 상태를 모델링하며, 도체의 위치와 기하학적 형상을 조절하여 모드 주파수를 조작한다.
• 큐비트 제어에 사용되는 동일한 3차원 도체를 활용하여 모드 스펙트럼을 설계함으로써 큐비트를 누출에서 동시에 격리한다.
• 도체를 초전도성 비아로 교체함으로써 칩 모드 및 유전체 기판 모드에 일반화된 방법을 적용하며, 주파수 떨어짐을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 소켓 내 3차원 도체는 동시에 큐비트 제어와 불필요한 공진 모드로의 비협동적 누출 억제를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 패키지 내 3차원 도체의 수가 증가함에 따라 잡음 공진 모드의 공진 주파수가 어떻게 변화하는가?
• RQ3 반파장 장벽 형성과 반절점 고정이 대규모 양자 소켓에서 비협동적 누출 오차를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 큐비트 감쇠, 퍼셀 효과와 주파수 떨어짐 방법의 효과성 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 동일한 도체 기반 접근법이 확장 가능한 초전도 큐비트 아키텍처에서 상자 모드와 칩 모드를 동시에 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 설치된 3차원 도체의 수가 증가할수록 불필요한 공진 모드의 공진 주파수가 증가하여, 가장 높은 큐비트 주파수보다 훨씬 높은 주파수로 모드를 설계할 수 있다.
• 반파장 장벽 형성과 반절점 고정은 공진 모드 주파수를 큐비트 주파수에서 떨어지게 하여 비협동적 누출을 효과적으로 억제하며, 오차율을 약 10⁻⁵ 수준으로 낮춘다.
• 시뮬레이션 결과, 250개의 3차원 도체를 사용할 경우 비협동적 누출 오차율이 약 10⁻⁵에 도달하며, 이는 일반적인 비협동 오차율보다 크게 낮다.
• 3차원 도체는 이중 기능을 수행한다: 큐비트 제어를 가능하게 하며, 불필요한 모드로부터의 전자기적 차폐 기능도 제공한다.
• 주파수 이동 방법은 도체를 초전도성 비아로 교체함으로써 상자 모드와 칩 모드, 유전체 기판 모드 모두에 적용 가능하다.
• 초도 실험 결과, 전략적인 도체 배치가 대규모 양자 소켓 내 불필요한 모드에 대한 효과적인 전기적 차폐를 만들 수 있음을 입증했다.