[논문 리뷰] Quantum control of transmon superconducting qubits

Juan José García‐Ripoll, Andrés Ruiz-Chamorro외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 24.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 정적 결합 시스템에서 |11⟩ 및 |20⟩ 상태 간의 공진을 이용하여 트랜스몬 큐비트를 위한 고해상도 제어 단계 게이트를 제안한다. 공진 근처에서 대기 시간과 목표 주파수를 校정함으로써, T₁ = 15 ns일 경우 99.8%, T₁ = 100 ns일 경우 99.97%의 품질을 달성하였으며, 역학적 불변량 기반 제어는 유실을 감소시키고 대역폭을 좁게 유지하는 데 유리하다.

ABSTRACT

In this work we analyze the implementation of a control-phase gate through the resonance between the $|11 angle$ and $|20 angle$ states of two statically coupled transmons. We find that there are many different controls for the transmon frequency that implement the same gate with fidelities around $99.8\%$ ($T_1=15$ ns) and $99.97\%$ ($T_1=100$ ns) within a time that approaches the theoretical limit. All controls can be brought to this accuracy by calibrating the waiting time and the destination frequency near the $|11 angle-|20 angle$ resonance. However, some controls, such as those based on the theory of dynamical invariants, are particularly attractive due to reduced leakage and their limited bandwidth.

연구 동기 및 목표

• 트랜스몬 초전도 큐비트를 위한 고해상도 이중 큐비트 게이트를 |11⟩ 및 |20⟩ 상태 간의 공진 결합을 이용하여 개발한다.
• 고해상도 게이트 품질을 유지하면서 유실과 대역폭을 최소화하는 제어 전략을 규명한다.
• 이론적 최적 속도에 가까운 성능을 내는 여러 제어 방법을 탐색한다.

제안 방법

• 두 트랜스몬 큐비트 간의 정적 결합을 이용하여 |11⟩ 및 |20⟩ 계산 상태 간의 공진을 가능하게 한다.
• 트랜스몬의 주파수 조절을 통해 시스템을 원하는 공진 전이 상태로 유도한다.
• |11⟩–|20⟩ 공진 근처에서 대기 시간과 목표 주파수를 校정하여 고해상도 게이트 작동을 달성한다.
• 역학적 불변량 이론을 적용하여 유실을 줄이고 대역폭을 제한하는 제어 펄스를 설계한다.
• 다양한 제어 전략의 품질, 유실 및 대역폭 효율성을 비교한다.
• 이론적 분석을 통해 실제 비산성 시간(T₁ = 15 ns 및 T₁ = 100 ns) 조건에서 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 |11⟩–|20⟩ 공진을 이용한 트랜스몬 큐비트에서 고해상도 이중 큐비트 게이트를 위한 제어 전략은 무엇인가?
• RQ2 대기 시간과 목표 주파수의 校정이 게이트 품질과 유실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고해상도를 유지하면서 대역폭 사용을 최소화하는 제어 방법은 무엇인가?
• RQ4 역학적 불변량은 게이트 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 비산성 시간(T₁)은 달성 가능한 게이트 품질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• T₁ = 15 ns일 경우 99.8%, T₁ = 100 ns일 경우 99.97%의 게이트 품질을 달성하였으며, 이론적 한계에 가까워졌다.
• 모든 제어 방법이 대기 시간과 목표 주파수를 |11⟩–|20⟩ 공진 근처에서 정확히 校정할 경우 고해상도를 달성한다.
• 역학적 불변량 기반 제어는 다른 방법에 비해 유실이 적고 대역폭이 좁다.
• 모든 제어 전략에서 이론적 게이트 속도에 가까운 성능을 보이며, 효율적인 작동을 의미한다.
• 공진 기반 접근법은 제어 파rameter의 변동에 민감도가 낮아 강건한 게이트 구현을 가능하게 한다.