[논문 리뷰] Programmable Heisenberg interactions between Floquet qubits

Long B. Nguyen, Yosep Kim외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 18.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 49인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고정 주파수 초전도 회로에서 시간 주기적 마이크로파 드라이브를 사용하여 정적 트랜스몬 큐비트를 조정 가능한 플로케트 큐비트로 애드아바틱하게 매핑함으로써 고정 주파수 초전도 큐비트 간의 프rogrammable한 하이젠베르크 상호작용을 구현한다. 저자들은 완전히 조절 가능한 XXZ 이sotropy를 구현하여 고정밀도의 iSWAP(99.32%), CZ(99.72%), SWAP(98.93%) 게이트를 실현하였으며, 96.18%의 정밀도로 3 큐비트 CCZ 게이트를 성취하여 고코herence 플랫폼에서 강건하고 고성능의 양자 연산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The fundamental trade-off between robustness and tunability is a central challenge in the pursuit of quantum simulation and fault-tolerant quantum computation. In particular, many emerging quantum architectures are designed to achieve high coherence at the expense of having fixed spectra and consequently limited types of controllable interactions. Here, by adiabatically transforming fixed-frequency superconducting circuits into modifiable Floquet qubits, we demonstrate an XXZ Heisenberg interaction with fully adjustable anisotropy. This interaction model is on one hand the basis for many-body quantum simulation of spin systems, and on the other hand the primitive for an expressive quantum gate set. To illustrate the robustness and versatility of our Floquet protocol, we tailor the Heisenberg Hamiltonian and implement two-qubit iSWAP, CZ, and SWAP gates with estimated fidelities of 99.32(3)%, 99.72(2)%, and 98.93(5)%, respectively. In addition, we implement a Heisenberg interaction between higher energy levels and employ it to construct a three-qubit CCZ gate with a fidelity of 96.18(5)%. Importantly, the protocol is applicable to various fixed-frequency high-coherence platforms, thereby unlocking a suite of essential interactions for high-performance quantum information processing. From a broader perspective, our work provides compelling avenues for future exploration of quantum electrodynamics and optimal control using the Floquet framework.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트 아키텍처에서 코herence와 조절 가능성 사이의 근본적 상충관계를 극복하기 위해.
• 긴 코herence 시간을 갖는 고정 주파수 플랫폼에서 프로그래밍 가능하고 조절 가능한 상호작용을 가능하게 하기 위해.
• 플로케트 엔지니어링을 활용하여 완전히 조절 가능한 XXZ 하이젠베르크 상호작용을 실현하고 보편적인 양자 게이트 세트를 구현하기 위해.
• 공학된 상호작용을 통해 고정밀도의 이중 및 삼중 큐비트 게이트를 구현하기 위해.
• 고코herence 플랫폼에서 비가역성과 코herence 손실에 대한 저항성과 내성의 프로토콜을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시간 주기적 마이크로파 드라이브를 사용하여 정적으로 결합된 트랜스몬 큐비트를 플로케트 큐비트로 애드아바틱하게 매핑한다.
• 애드아바틱성에 대한 단축 기술(Shortcuts-to-adiabaticity, STA) 기법을 활용하여 애드아바틱 매핑 과정을 가속화한다.
• 조절 가능한 이sotropy를 갖는 조절 가능한 XXZ 하이젠베르크 해밀토니안을 공학: $\mathcal{H}_{\text{XXZ}}/\hbar = \sum_{i,j} J_{\text{XY}}(\sigma_x^i\sigma_x^j + \sigma_y^i\sigma_y^j) + J_{\text{ZZ}}\sigma_z^i\sigma_z^j$.
• 양자 게이트의 주요 오차 채널을 규명하기 위해 파울리 오차 재구성(Pauli noise reconstruction, PNR)을 활용한다.
• 단일 샷 읽기 및 에코 측정을 수행하여 주기적 드라이브 하에서 데드드 코herence 및 가열 효과를 특성화한다.
• 플로케트 기저에 투영된 린드블라드 마스터 방정식을 사용하여 코herence를 시뮬레이션하고 실험 데이터와 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플로케트 엔지니어링을 통해 고고도 코herence를 갖는 고정 주파수 초전도 큐비트에서 조절 가능하고 프로그래밍 가능한 하이젠베르크 상호작용을 실현할 수 있는가?
• RQ2 실제의 코herence 손실과 비애드아바틱 효과 하에서 애드아바틱 매핑 프로토콜의 성능은 어떠한가?
• RQ3 공학된 iSWAP, CZ, SWAP, CCZ 게이트에서 주요 오차 채널은 무엇인가?
• RQ4 XXZ 이sotropy는 얼마나 조절 가능하여 보편적인 게이트 세트를 실현할 수 있는가?
• RQ5 복잡한 다중 큐비트 얽힘 연산을 가능하게 하면서도 고코herence를 유지하는가?

주요 결과

• iSWAP 게이트는 정밀도 99.32(3)%를 기록하였으며, Z형 오차가 주요 오차 채널이다.
• CZ 게이트는 99.72(2)%의 정밀도를 달성하였으며, Q1에서 Y형 오차가 주요 원인이고 Q2에서는 X형 오차가 영향을 미친다.
• SWAP 게이트는 98.93(5)%의 정밀도를 기록하였으며, 각 큐비트에서 X형 및 Z형 오차가 지배적이다.
• 3 큐비트 CCZ 게이트는 96.18(5)%의 정밀도로 실현되었으며, Q1에서 Z형 오차가 가장 두드러지고 Q2와 Q3에서는 X/Y형 오차가 두드러진다.
• 데드드 코herence 측정 결과 드라이브 진폭이 증가할수록 비활성 상태의 인구가 단조롭게 증가함을 확인하여 효과적인 가열이 발생하는 것으로 나타났지만, 붕괴 및 위상 분리 속도는 비교적 안정되어 있다.
• 플로케트 기저에서 린드블라드 동역학의 수치 시뮬레이션은 실험 데이터를 정량적으로 재현하였으며, 코herence 모델의 일관성을 확인한다.