[논문 리뷰] Tunable Coupling Architecture for Fixed-frequency Transmons

J. Stehlik, D. M. Zajac외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고정 주파수 트랜스몬 큐비트를 위한 조절 가능한 커플러 아키텍처인 '큐비트 아래에 버스' (BBQ)를 제안하며, 조절 가능한 버스를 큐비트 주파수 이하에 위치시켜 고신뢰도 이중큐비트 게이트를 실현한다. BBQ 설계는 최대 게이트 신뢰도 99.85% (게이트 오류율: 0.0015 ± 0.0001)를 달성하고, 24시간 동안 안정적인 校정을 유지하여 이전의 조절 가능한 버스 기반 기술에서의 비출사 및 아디아바틱성 제약을 극복한다.

ABSTRACT

Implementation of high-fidelity two-qubit operations is a key ingredient for scalable quantum error correction. In superconducting qubit architectures tunable buses have been explored as a means to higher fidelity gates. However, these buses introduce new pathways for leakage. Here we present a modified tunable bus architecture appropriate for fixed-frequency qubits in which the adiabaticity restrictions on gate speed are reduced. We characterize this coupler on a range of two-qubit devices achieving a maximum gate fidelity of $99.85\%$. We further show the calibration is stable over one day.

연구 동기 및 목표

• 고정 주파수 트랜스몬 큐비트와 호환되는 조절 가능한 커플러 아키텍처를 개발하여 고신뢰도 이중큐비트 게이트를 실현하는 것.
• 고정 주파수 아키텍처에서 항상 켜진 커플링과 비출사 문제를 해결하는 것.
• 조절 가능한 버스를 큐비트 주파수 이하에 위치시켜 게이트 속도에 대한 아디아바틱성 제약을 줄이는 것.
• 확장 가능한 양자 컴퓨팅 아키텍처에서 고신뢰도, 안정적이고 반복 가능한 이중큐비트 연산을 달성하는 것.

제안 방법

• 버스 주파수를 큐비트 주파수 이하로 두어 설계한 조절 가능한 커플러(즉, BBQ 아키텍처)를 개발하며, 기존의 '버스 위에 큐비트' (BAQ) 레이아웃을 뒤집는다.
• 트랜스몬 이격체 사이에 비스포트 캐패시터를 도입하여 효과적 커플링을 조절하고, 버스의 섀도우 스팟에서 ZZ 상호작용의 영점(0)을 생성한다.
• 플럭스 조절을 통해 조절 가능한 버스를 사용하여 큐비트 간 효과적 커플링을 동적으로 제어함으로써 얽힘의 케이스/오프 스위칭을 가능하게 한다.
• 저디테닝 쌍을 위해 이중 펄스 시퀀스를 구현하여 간섭 제어를 통해 불필요한 iSWAP 상호작용을 상쇄한다.
• 트랜스몬 항목, 비선형성, 조절 가능한 커플링을 포함한 해밀토니안으로 시스템을 모델링하고, 효과적 스핀 교환 상호작용 $ J_{\rm tot} \approx J_{\rm bus} + g_{\rm Q1,Q2} $ 를 유도한다.
• 11개의 이중큐비트 장치에서 랜덤라이즈드 랩퍼티닝을 사용해 게이트를 校정하고, 게이트 신뢰도, 코herence 시간, 게이트 오류율(EPG)을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 주파수 트랜스몬 큐비트를 위한 조절 가능한 커플러 아키텍처를 설계하여, 큐비트 주파수 조절 없이도 고신뢰도 이중큐비트 게이트를 달성할 수 있는가?
• RQ2 조절 가능한 버스를 큐비트 주파수 이하에 놓는 BBQ 설계가 기존의 BAQ 설계에 비해 게이트 신뢰도와 안정성에서 어떻게 향상되는가?
• RQ3 저주파수-큐비트 디테닝이 게이트 신뢰도에 어떤 영향을 미치며, 잔류 iSWAP 상호작용은 어떻게 상쇄할 수 있는가?
• RQ4 실제 양자 프로세서에서 조절 가능한 커플러의 校정이 장기간(예: 1일) 동안 안정적으로 유지되는가?
• RQ5 이 BBQ 아키텍처에서 커플링 강도, 게이트 지속 시간, 게이트 오류율 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• BBQ 아키텍처는 최대 이중큐비트 게이트 신뢰도 99.85%를 달성하여, 게이트 오류율(EPG)은 $ 0.0015 \pm 0.0001 $ 으로 측정되었으며, 게이트 지속 시간은 46 ns였다.
• 11개의 캐릭터라이즈된 이중큐비트 장치에서, 더 높은 커플링 강도($ g_{Q,bus}/2\pi = 110 $ MHz)는 더 빠르고 신뢰할 수 있는 게이트를 가능하게 하였으며, 이 중 5개의 쌍 중 3개가 EPG < 0.002 를 달성하였다.
• 플럭스 조절 가능한 커플러의 최적 校정은 24시간 이상 안정적으로 유지되었으며, 게이트 신뢰도나 오류율에 유의미한 드리프트가 관찰되지 않았다.
• 저디테닝 쌍(9 MHz)의 경우, 불필요한 iSWAP 상호작용을 상쇄하기 위해 이중 펄스 시퀀스를 사용하여 EPG를 $ 0.006 \pm 0.002 $ 로 줄였으며, 게이트 지속 시간은 110 ns였다.
• BBQ 설계는 아디아바틱성 제약이 감소하여 더 빠르고 더 견고한 게이트 연산이 가능하도록, 케이스와 오프 상태 간의 매끄러운 전환을 가능하게 한다.
• 이 설계는 다양한 디테닝과 커플링 강도에서도 높은 성능을 유지하며, 반복 가능성과 확장 가능성 잠재력을 입증한다.