[논문 리뷰] Realization of high-fidelity CZ and ZZ-free iSWAP gates with a tunable coupler

Youngkyu Sung, Leon Ding외 15명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2020. 11. 02.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 51

한 줄 요약

논문은 tunable transmon 커플러를 사용하여 CZ 및 ZZ-free iSWAP 게이트의 고충실도 구현을 보여주며, 누출 및 ZZ 상호작용을 억제하기 위한 최적 제어를 통해 각각 99.76±0.07% 및 99.87±0.23%의 2-퀀트 상호작용 충실도를 달성한다.

ABSTRACT

High-fidelity two-qubit gates at scale are a key requirement to realize the full promise of quantum computation and simulation. The advent and use of coupler elements to tunably control two-qubit interactions has improved operational fidelity in many-qubit systems by reducing parasitic coupling and frequency crowding issues. Nonetheless, two-qubit gate errors still limit the capability of near-term quantum applications. The reason, in part, is the existing framework for tunable couplers based on the dispersive approximation does not fully incorporate three-body multi-level dynamics, which is essential for addressing coherent leakage to the coupler and parasitic longitudinal ($ZZ$) interactions during two-qubit gates. Here, we present a systematic approach that goes beyond the dispersive approximation to exploit the engineered level structure of the coupler and optimize its control. Using this approach, we experimentally demonstrate CZ and $ZZ$-free iSWAP gates with two-qubit interaction fidelities of $99.76 \pm 0.07$% and $99.87 \pm 0.23$%, respectively, which are close to their $T_1$ limits.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트의 파생 결합 및 누출을 극복하기 위한 확장 가능한 고충실도 2-퀀트 게이트의 동기를 부여한다.
• 커플러의 다중 레벨 구조를 활용하여 분산 근사를 넘어서는 tunable 커플러 접근법을 개발하고 입증한다.
• 빠른 2-퀀트 게이트 동안 코히런트 누출 및 잔여 ZZ 상호작용을 최적 제어와 커플러 엔지니어링으로 억제한다.
• CZ 및 ZZ-free iSWAP 게이트가 interleaved randomized benchmarking에서 코히런스 한계에 근접하는 충실도를 달성할 수 있음을 실험적으로 보여준다.

제안 방법

• Duffing 진동자로 두 큐비트와 tunable 커플러를 연결하는 3-체 시스템을 모델링한다.
• CZ와 iSWAP를 가능하게 하는 비가역적 전이에 의한 회피 교차를 만들기 위해 커플러 주파수를 조정한다.
• Leakage 다이내믹스를 설명하기 위해 두 레벨 시스템 축소(단일 및 이중 여기 모임)와 밝은/어둠 상태 개념을 사용한다.
• CZ 및 iSWAP 동안 누출을 억제하기 위한 커플러 주파수의 최적 제어 펄스(Slepian 기반)를 설계한다.
• ZZ 상호작용을 상쇄하고 ZZ-free iSWAP를 달성하기 위해 커플러의 더 높은 에너지 레벨(020)을 활용한다.
• Lindblad 시뮬레이션을 통해 interleaved randomized benchmarking으로 게이트 성능을 정량화하고 T1 한계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 레벨 구조로 설계된 tunable 커플러가Compact한 초전도 회로에서 고충실도 CZ 및 ZZ-free iSWAP 게이트를 구현할 수 있는가?
• RQ2 빠른 2-퀀트 게이트 동안 커플러로의 coherent leakage를 제어 펄스로 억제할 수 있는가?
• RQ3 iSWAP에서 남은 ZZ 상호작용을 커플러의 더 높은 레벨을 이용해 상쇄할 수 있는가?
• RQ4 이 구조에서 CZ 및 iSWAP 게이트의 실험적으로 달성 가능한 충실도는 T1 한계에 비해 어떤가?

주요 결과

• CZ 게이트는 60 ns 게이트에서 F_CZ = 99.76 ± 0.07%를 달성한다.
• ZZ-free iSWAP 게이트는 30 ns 게이트에서 F_iSWAP = 99.87 ± 0.23%를 달성한다.
• 최적 제어는 CZ 누출을 감소시키고 이중 큐비트 클리포드 오류율을 개선한다.
• iSWAP 동안 잔류 ZZ는 커플러의 더 높은 레벨(020)을 활용해 레벨 반발을 상쇄하고 ZZ 각을 거의 0에 근접하게 만들어 ZZ를 상쇄한다.
• 커플러의 이진(두 수준) 모델링과 Slepian 기반 펄스를 통해 커플러 누출을 억제한다.
• 게이트 충실도는 Lindblad 시뮬레이션에 따라 T1 한계에 근접한다.