[논문 리뷰] Quantum design for advanced qubits: plasmonium

Fengming Liu, Ming-Cheng Chen외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 플라스몬 전이 영역에서 양자 회로 최적화를 위해 변동형 양자 고유값 해법(VQE)을 활용하는 새로운 초전도 큐비트 설계인 '플라스몬늄(plasmonium)'을 제안한다. 제작 및 실험적으로 검증된 플라스몬늄은 단일 큐비트 허용도 99.85(1)%, 이중 큐비트 허용도 99.58(3)%, 물리적 크기는 60% 작아지고, 트랜스몬보다 50% 높은 비조화성을 달성하여 기존 양자 자원을 활용해 확장 가능하고 고성능의 양자 프로세서를 실현한다.

ABSTRACT

The increasingly complex quantum electronic circuits with a number of coupled quantum degrees of freedom will become intractable to be simulated on classical computers, and requires quantum computers for an efficient simulation. In turn, it will be a central concept in quantum-aided design for next-generation quantum processors. Here, we demonstrate variational quantum eigensolvers to simulate superconducting quantum circuits with varying parameters covering a plasmon-transition regime, which reveals an advanced post-transmon qubit, "plasmonium". We fabricate this new qubit and demonstrate that it exhibits not only high single- and two-qubit gate fidelities (99.85(1)% and 99.58(3)%, respectively), but also a shrinking (by 60%) physical size and larger (by 50%) anharmonicity than the transmon, which can bring a number of advantages for scaling up multi-qubit devices. Our work opens the way to designing advanced quantum processors using existing quantum computing resources.

연구 동기 및 목표

• 기존 트랜스몬 큐비트의 확장성 한계를 극복하는 새로운 초전도 큐비트 아키텍처를 개발하는 것.
• 변동형 양자 고유값 해법(VQE)을 활용해 고급 큐비트의 양자 보조 설계를 수행하는 것.
• 높은 비조화성과 낮은 물리적 크기를 유지하면서도 높은 게이트 허용도를 확보하는 것.
• 제안된 '플라스몬늄' 큐비트의 실험적 타당성과 성능을 입증하는 것.
• 개선된 큐비트 설계를 통해 다중 큐비트 양자 프로세서의 확장 가능성을 실현하는 것.

제안 방법

• 플라스몬 전이 영역에서 다양한 파rameter를 고려해 VQE를 활용해 초전도 양자 회로의 시뮬레이션을 수행하였다.
• VQE 시뮬레이션을 통해 유도된 최적화된 회로 파rameter를 바탕으로 플라스몬늄 큐비트를 설계하였다.
• 비조화성을 향상시키기 위해 수준 간 간격과 결합을 조정한 트랜스몬 유사 초전도 회로를 설계하였다.
• 표준 초전도 나노제작 기술을 사용해 플라스몬늄 큐비트를 제작하였다.
• 랜덤라이즈드 래핑 및 토모그래피를 수행해 단일 및 이중 큐비트 게이트의 허용도를 특성화하였다.
• 플라스몬늄 큐비트의 물리적 크기와 비조화성을 기존 트랜스몬 큐비트와 비교하여 확장성 우수성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변동형 양자 고유값 해법(VQE)은 고급 초전도 큐비트 설계에 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ2 플라스몬늄 큐비트 아키텍처는 트랜스몬 큐비트에 비해 더 높은 비조화성과 더 낮은 물리적 크기를 달성하는가?
• RQ3 제작된 플라스몬늄 큐비트에서 단일 및 이중 큐비트 연산의 게이트 허용도는 얼마인가?
• RQ4 플라스몬늄 큐비트는 더 작은 면적을 확보하면서도 높은 코herence와 게이트 허용도를 유지할 수 있는가?
• RQ5 양자 보조 설계는 차세대 초전도 큐비트의 성능을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 플라스몬늄 큐비트는 단일 큐비트 게이트 허용도 99.85(1)%를 달성하여 고정밀 작동을 입증하였다.
• 이중 큐비트 게이트 허용도는 99.58(3)%에 도달하여 강력한 얽힘 연산을 나타낸다.
• 플라스몬늄 큐비트의 물리적 크기는 트랜스몬 큐비트 대비 60% 감소하였다.
• 플라스몬늄 큐비트의 비조화성은 트랜스몬 큐비트 대비 50% 향상되어 수준 간 구별성이 향상되었다.
• 표준 제작 및 특성화 기술을 사용해 큐비트 설계의 실험적 검증이 이루어졌다.
• 결과적으로, 양자 보조 설계가 고성능·확장 가능한 초전도 큐비트 개발을 가능하게 한다는 것이 확인되었다.