[논문 리뷰] Quantum crosstalk analysis for simultaneous gate operations on superconducting qubits

Peng Zhao, Kehuan Linghu외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 터널링 버스를 사용하여 100ns 이내의 제어된-Z(CZ) 게이트를 구현하는 초전도 큐비트 아키텍처에서 양자 크로스톡스의 이론적 분석을 제공한다. 비밀도가 높은 크로스드라이빙 오류가 주파수 충돌 지점 근처에서 마이크로파로 구동되는 단일 큐비트 게이트 동안 발생하며, CZ 운영 중 발생하는 임의의 이웃이 아닌 큐비트 상호작용으로 인해 공명 지점에서 비가역성과 제어 오류가 발생함을 밝혀내어, 확장 가능한 양자 프로세서에서 개선된 오류 보정 및 낮은 크로스톡스 큐비트 설계가 필요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

Maintaining or even improving gate performance with growing numbers of parallel controlled qubits is a vital requirement for fault-tolerant quantum computing. For superconducting quantum processors, though isolated one- or two-qubit gates have been demonstrated with high-fidelity, implementing these gates in parallel commonly shows worse performance. Generally, this degradation is attributed to various crosstalks between qubits, such as quantum crosstalk due to residual inter-qubit coupling. An understanding of the exact nature of these crosstalks is critical to figuring out respective mitigation schemes and improved qubit architecture designs with low crosstalk. Here we give a theoretical analysis of quantum crosstalk impact on simultaneous gate operations in a qubit architecture, where fixed-frequency transmon qubits are coupled via a tunable bus, and sub-100-ns controlled-Z (CZ) gates can be realized by applying a baseband flux pulse on the bus. Our analysis shows that for microwave-driven single-qubit gates, the dressing from the qubit-qubit coupling can cause non-negligible cross-driving errors when qubits operate near frequency collision regions. During CZ gate operations, although unwanted near-neighbor interactions are nominally turned off, sub-MHz parasitic next-near-neighbor interactions involving spectator qubits can still exist, causing considerable leakage or control error when one operates qubit systems around these parasitic resonance points. To ensure high-fidelity simultaneous operations, there could raise a request to figure out a better way to balance the gate error from target qubit systems themselves and the error from non-participating spectator qubits. Overall, our analysis suggests that towards useful quantum processors, the qubit architecture should be examined carefully in the context of high-fidelity simultaneous gate operations in a scalable qubit lattice.

연구 동기 및 목표

• 동시 게이트 운영 중 초전도 큐비트 시스템에서의 양자 크로스톡스의 원인과 영향을 이해하는 것.
• 다중 큐비트 아키텍처에서 잔류 상호작용과 임의의 상호작용이 게이트 정밀도를 어떻게 떨어뜨리는지 밝혀내는 것.
• 병렬 게이트 운영 중 관찰자 큐비트와 참여하지 않는 큐비트가 오류를 유발하는 정도를 분석하는 것.
• 터널링 버스를 통해 연결된 고정 주파수 트랜스몬 큐비트에서 크로스톡스 효과를 평가하기 위한 이론적 프레임워크를 제공하는 것.
• 타겟 큐비트와 관찰자 큐비트로부터의 크로스톡스 기여도를 정량화하여 향후 하드웨어 설계 및 오류 보정 전략을 안내하는 것.

제안 방법

• 고정 주파수 트랜스몬 큐비트 4개로 이루어진 정사각형 격자 구조의 이론적 모델을 사용하여 게이트 운영을 시뮬레이션한다.
• 버스에 기본 대역의 플럭스 펄스를 적용하여 100ns 이내의 CZ 게이트를 실현하며, 펄스 형태는 λ₁ + λ₃ = 1 조건을 만족하는 3개의 푸리에 계수로 정의된다.
• 시스템 해밀토니안의 시간 순서 지수를 사용하여 실제 진화 연산자 U₂ = P̂T exp(−i∫₀ᵀ H(t)dt)를 계산한다.
• 단일 및 이중 큐비트 운영을 위한 투영 연산자 P₁과 P₂를 사용하여 전체 진화 연산자를 계산 하부공간에 투영한다.
• 로컬 단일 큐비트 위상 오차를 보정하기 위해 후처리 위상 보정을 포함한 메트릭을 사용하여 게이트 정밀도를 평가한다.
• 단일, 이중, 삼중 흥 excitations 하위공간에서의 인구 교환 행렬 P(o|i)를 분석하여 이웃이 아닌 큐비트로부터의 비가역성과 크로스톡스를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트 격자에서 동시 단일 및 이중 큐비트 게이트 운영 중 주요 크로스톡스 원인은 무엇인가?
• RQ2 잔류 상호작용과 임의의 이웃이 아닌 큐비트 상호작용이 병렬 CZ 게이트 운영 중 게이트 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 타겟 큐비트가 공명 지점 근처에서 운영될 때 관찰자 큐비트가 게이트 오류에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 주파수 충돌 영역이 마이크로파로 구동되는 단일 큐비트 게이트에서 크로스드라이빙 오류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고차원 과정이 이웃이 아닌 큐비트 간 비가시적인 인구 교환을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 큐비트 간 상호작용에 의해 드레싱되는 효과로 인해 주파수 충돌 지점 근처에서 마이크로파로 구동되는 단일 큐비트 게이트 동안 비가시적인 크로스드라이빙 오류가 발생한다.
• 1MHz 이하의 강도를 가진 이웃이 아닌 큐비트 상호작용은 시스템이 이러한 상호작용과 공명 상태에 있을 경우 CZ 게이트 운영 중에 심각한 비가역성과 제어 오류를 유발할 수 있다.
• 고차원 과정을 통해 이웃이 아닌 큐비트 간의 인구 교환이 가능해지며, 이는 10⁻⁴ 이하로 억제되지만 여전히 측정 가능한 게이트 오류에 기여한다.
• 타겟 큐비트 시스템의 오류와 비참여 관찰자 큐비트의 오류 간 균형으로 인해 병렬 운영에서 게이트 정밀도가 떨어진다.
• 고정밀도 고립 게이트가 가능하더라도 동시 운영에서는 크로스톡스로 인한 오류가 발생하므로, 이를 해결하기 위해 개선된 아키텍처와 제어 전략이 필요하다는 점이 분석을 통해 드러났다.
• 이 연구는 고장내성 양자 계산을 달성하기 위해 크로스톡스를 최소화한 확장 가능한 큐비트 격자 설계가 필수적임을 강조한다.