[논문 리뷰] Realization of Super-Robust Geometric Control in a Superconducting Circuit

Sai Li, Bao-Jie Liu외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 61인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 비가역적 기하 양자 계산(NHQC)의 초고신뢰성 구현을 위해 비계산 상태로의 교차결합을 억제하기 위한 새로운 제약 조건을 도입함으로써 초전도 회로에서의 초고신뢰성 비가역적 기하 양자 계산(NHQC) 기법을 제안한다. 이 방법은 준정적 횡방향 오차에 대해 비실패도의 4차 suppression을 달성하여 기존의 NHQC 및 다이내믹 게이트에 비해 훨씬 높은 내성 확보를 이루며, 실험적으로 다이내믹 위상 축적 감소가 확인되었다.

ABSTRACT

Geometric phases accompanying adiabatic quantum evolutions can be used to construct robust quantum control for quantum information processing due to their noise-resilient feature. A significant development along this line is to construct geometric gates using nonadiabatic quantum evolutions to reduce errors due to decoherence. However, it has been shown that nonadiabatic geometric gates are not necessarily more robust than dynamical ones, in contrast to an intuitive expectation. Here we experimentally investigate this issue for the case of nonadiabatic holonomic quantum computation~(NHQC) and show that conventional NHQC schemes cannot guarantee the expected robustness due to a cross coupling to the states outside the computational space. We implement a new set of constraints for gate construction in order to suppress such cross coupling to achieve an enhanced robustness. Using a superconducting quantum circuit, we demonstrate high-fidelity holonomic gates whose infidelity against quasi-static transverse errors can be suppressed up to the fourth order, instead of the second order in conventional NHQC and dynamical gates. In addition, we explicitly measure the accumulated dynamical phase due to the above mentioned cross coupling and verify that it is indeed much reduced in our NHQC scheme. We further demonstrate a protocol for constructing two-qubit NHQC gates also with an enhanced robustness.

연구 동기 및 목표

• 이론적으로 노이즈에 대한 내성에 기대를 걸고 있음에도 불구하고 기존 비가역적 기하 양자 게이트의 제한된 내성 문제를 해결하기 위해.
• NHQC에서 게이트 품질을 악화시키는 비계산 상태로의 교차결합 효과를 규명하고 이를 완화하기 위해.
• 불필요한 전이를 억제하고 내성을 향상시키기 위해 게이트 설계를 위한 새로운 제약 조건 집합을 설계하기 위해.
• 초전도 회로에서 고정밀도 단일 및 이중 큐비트 기하 양자 게이트를 실험적으로 구현하고, 향상된 오차 억제 성능을 입증하기 위해.
• 새로운 NHQC 기법에서 교차결합으로 인한 축적된 다이내믹 위상 감소를 검증하기 위해.

제안 방법

• 계산 부분공간 외부 상태로의 결합을 억제하기 위해 게이트 설계 과정에 새로운 제약 조건 집합을 도입하기 위해.
• 이러한 제약 조건 하에서 단일 및 이중 큐비트 기하 양자 게이트를 실현하기 위해 초전도 양자 회로 플랫폼을 구현하기 위해.
• 기하 위상은 유지하면서 공진 외 결합으로 인한 다이내믹 위상 축적을 최소화할 수 있도록 제어 펄스를 설계하기 위해.
• 퍼티르베이티브 분석을 통해 준정적 횡방향 오차로 인한 비실패도가 기존 기법의 2차 수준에서 벗어나 4차 수준으로 억제됨을 보여주기 위해.
• 다양한 오차 조건 하에서 게이트 품질과 다이내믹 위상의 실험적 특성을 분석하여 내성의 타당성을 검증하기 위해.
• 동일한 제약 기반 프레임워크를 사용하여 내성이 향상된 이중 큐비트 NHQC 게이트를 구현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 비가역적 기하 양자 게이트는 노이즈에 대해 기대되는 내성 성능을 달성하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ2 비계산 상태로의 교차결합은 초전도 큐비트에서 기하 양자 게이트의 품질을 어느 정도 악화시킬 수 있는가?
• RQ3 게이트 설계에 새로운 제약 조건 집합을 적용하면 비공진 결합을 억제하고 2차 수준을 초월한 오차 억제를 달성할 수 있는가?
• RQ4 기존 NHQC 기법과 비교해 새로운 NHQC 기법에서 교차결합으로 인한 축적된 다이내믹 위상은 어떻게 다른가?
• RQ5 이와 같은 프레임워크를 사용하여 내성이 향상된 이중 큐비트 기하 양자 게이트로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 NHQC 기법은 준정적 횡방향 오차에 대해 비실패도의 4차 억제를 달성하여 기존 NHQC 및 다이내믹 게이트의 2차 억제 수준을 뛰어넘는다.
• 실험 결과, 교차결합으로 인한 축적된 다이내믹 위상 감소가 뚜렷하게 확인되어 새로운 제약 조건의 효과를 입증한다.
• 단일 큐비트 기하 양자 게이트는 높은 품질을 보이며, 다양한 횡방향 오차 강도에서 내성이 향상됨을 보였다.
• 동일한 제약 기반 접근법을 통해 내성이 향상된 이중 큐비트 NHQC 게이트를 구축할 수 있었으며, 확장 가능성의 가능성을 입증하였다.
• 신규 기법에서 측정된 다이내믹 위상은 기존 NHQC보다 상당히 작아, 비공진 결합에 대한 감도 감소를 확인하였다.
• 결과적으로, 설계된 기하 위상을 통해 초전도 회로에서 고신뢰성 양자 제어를 위한 실용적 길을 확립하였다.