[논문 리뷰] Suppression of static ZZ interaction in an all-transmon quantum processor

Peng Zhao, Dong Lan외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 08.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 가변 커플러를 갖춘 3 큐비트 아키텍처를 통해 양자 간섭을 공학화하여, 모든 트랜스몬 초전도 양자 프로세서에서 정적 $ZZ$ 상호작용을 억제하는 방법을 제안한다. 커플러 주파수와 결합 강도를 조절함으로써, $ZZ$ 결합이 크게 억제되면서도 강한 $XY$ 상호작용을 유지하는 매개변수 영역에 도달하여, 99.98%를 초월하는 게이트 편밀도를 가진 고성능 iSWAP 게이트를 실현한다. 조건부 위상 오차는 0.003 라디안 이하이다.

ABSTRACT

The superconducting transmon qubit is currently a leading qubit modality for quantum computing, but gate performance in quantum processor with transmons is often insufficient to support running complex algorithms for practical applications. It is thus highly desirable to further improve gate performance. Due to the weak anharmonicity of transmon, a static ZZ interaction between coupled transmons commonly exists, undermining the gate performance, and in long term, it can become performance limiting. Here we theoretically explore a previously unexplored parameter region in an all-transmon system to address this issue. We show that an feasible parameter region, where the ZZ interaction is heavily suppressed while leaving XY interaction with an adequate strength to implement two-qubit gates, can be found for all-transmon systems. Thus, two-qubit gates, such as cross-resonance gate or iSWAP gate, can be realized without the detrimental effect from static ZZ interaction. To illustrate this, we demonstrate that an iSWAP gate with fast gate speed and dramatically lower conditional phase error can be achieved. Scaling up to large-scale transmon quantum processor, especially the cases with fixed coupling, addressing error, idling error, and crosstalk that arises from static ZZ interaction could also be strongly suppressed.

연구 동기 및 목표

• 모든 트랜스몬 초전도 양자 프로세서에서 성능을 제한하는 정적 $ZZ$ 상호작용 문제를 해결한다.
• 이중 큐비트 게이트에 필요한 $XY$ 상호작용 강도를 유지하면서도 $ZZ$ 상호작용을 억제하는 데 도전한다.
• 정적 $ZZ$ 상호작용이 최소화되는 실현 가능한 매개변수 영역을 규명함으로써, 고성능 이중 큐비트 게이트—예를 들어 iSWAP 및 크로스 레온런스 게이트—를 가능하게 한다.
• 고정 커플링 트랜스몬 아키텍처에서 $ZZ$ 상호작용을 억제함으로써 교차 캐리지, 대기 오차, 주소 오차를 감소시킬 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 커플러 회로에 커패시터와 보조 트랜스몬을 조합한 2개의 트랜스몬이 결합된 3 큐비트 시스템을 설계한다.
• 시스템을 세 개의 약한 비조화 진동자로 모델링하며, 트랜스몬 에너지, 비조화성, 그리고 결합 항을 포함하는 하미르토니안을 사용한다.
• 퍼티urbation 이론을 적용하여, 결합 강도 $g_{1c}, g_{2c}$와 주파수 이격에 기반한 $XY$ 결합 $J$와 정적 $ZZ$ 결합 $\zeta$의 표현식을 유도한다.
• 가상 전이 간의 대칭성과 양자 간섭을 이용하여, $(\omega_c, g_{12})$ 공간에서 $\zeta \approx 0$이면서도 $J$가 유의미하게 유지되는 매개변수 영역을 식별한다.
• 커플러와 타겟 트랜스몬 주파수를 조절하는 가우시안 평탄상단 펄스를 사용하여 비가역적 iSWAP 게이트를 실행하며, 스위치 및 누출 채널 간의 동기화를 유지한다.
• 집합적 분산 및 준집합적 분산 영역에서 시스템을 운영하여, 다양한 결합 조건 하에서의 내성과 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 $ZZ$ 상호작용이 상호작용을 끄지 않고서도 모든 트랜스몬 시스템에서 억제될 수 있는가?
• RQ2 정적 $ZZ$ 상호작용이 최소화되면서도 $XY$ 상호작용이 충분히 강해 고성능 이중 큐비트 게이트를 실행할 수 있는 매개변수 영역이 존재하는가?
• RQ3 다양한 가상 전이 경로 간의 양자 간섭을 공학하여 $ZZ$ 상호작용만 선택적으로 억제하고 $XY$ 상호작용을 유지할 수 있는가?
• RQ4 이러한 매개변수 영역에서 얻을 수 있는 게이트 편밀도와 오차율은 무엇이며, 특히 iSWAP 게이트의 경우 어떻게 되는가?
• RQ5 고정 커플링 트랜스몬 아키텍처에서 $ZZ$ 상호작용의 억제가 교차 캐리지, 대기 오차, 주소 오차를 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 정적 $ZZ$ 상호작용이 크게 억제되면서도 $XY$ 상호작용이 이중 큐비트 게이트를 실행하기에 충분히 강한 실현 가능한 매개변수 영역이 $(\omega_c, g_{12})$ 공간에 존재한다.
• 집합적 분산 영역 ($\omega_c/2\pi \approx 7.79$ GHz)에서, 57 ns의 유지 시간을 가진 iSWAP 게이트의 편밀도는 99.994%이며 누출률은 0.006% 이하이다.
• 준집합적 분산 영역 ($\omega_c/2\pi \approx 7.04$ GHz)에서, 14.3 ns의 유지 시간을 가진 iSWAP 게이트의 편밀도는 99.988% 이상이며 누출률은 0.012% 이하이다.
• 조건부 위상 오차 $\delta_\theta$는 집합적 분산 영역에서 0.001 라디안 이하, 준집합적 분산 영역에서 0.003 라디안 이하로 억제되어 $ZZ$ 상호작용의 강력한 억제를 확인한다.
• $ZZ$ 상호작용의 억제는 서로 다른 중간 상태를 포함하는 다양한 가상 전이 경로 간의 양자 간섭으로 인해 발생하며, 선택적 상쇄가 가능하다.
• 제안된 방법은 고정 커플링 트랜스몬 프로세서에서 주로 발생하는 $ZZ$에 기인한 비가역성 채널을 제거함으로써 교차 캐리지, 대기 오차, 주소 오차를 크게 감소시킨다.