[논문 리뷰] Tunable inductive coupler for high fidelity gates between fluxonium qubits

Helin Zhang, Chunyang Ding외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 11.

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 강한, 제어 가능한 XX 결합(−35에서 75 MHz)을 실현하면서 ZZ 쌍방향 간섭을 최소화함으로써, 무거운 플럭스온늄 큐비트 간 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 가능하게 하는 조정 가능한 유도 결합기를 제시한다. 이 결합기는 102 ns 내에 √bSWAP 게이트를 99.91%의 정밀도로 수행하고, 20시간 이상 안정된 성능을 유지하며, 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 필수적인 고정밀도, 고속 동작을 입증한다.

ABSTRACT

The fluxonium qubit is a promising candidate for quantum computation due to its long coherence times and large anharmonicity. We present a tunable coupler that realizes strong inductive coupling between two heavy-fluxonium qubits, each with $\sim50$MHz frequencies and $\sim5$ GHz anharmonicities. The coupler enables the qubits to have a large tuning range of $ extit{XX}$ coupling strengths ($-35$ to $75$ MHz). The $ extit{ZZ}$ coupling strength is $<3$kHz across the entire coupler bias range, and $<100$Hz at the coupler off-position. These qualities lead to fast, high-fidelity single- and two-qubit gates. By driving at the difference frequency of the two qubits, we realize a $\sqrt{i\mathrm{SWAP}}$ gate in $258$ns with fidelity $99.72\%$, and by driving at the sum frequency of the two qubits, we achieve a $\sqrt{b\mathrm{SWAP}}$ gate in $102$ns with fidelity $99.91\%$. This latter gate is only 5 qubit Larmor periods in length. We run cross-entropy benchmarking for over $20$ consecutive hours and measure stable gate fidelities, with $\sqrt{b\mathrm{SWAP}}$ drift ($2 σ$) $< 0.02\%$ and $\sqrt{i\mathrm{SWAP}}$ drift $< 0.08\%$.

연구 동기 및 목표

• 저주파수 플럭스온늄 큐비트 간 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 가능하게 하기 위해 조정 가능한 유도 결합기를 개발한다.
• 게이트 정밀도를 유지하고 계산 하위공간 외부로의 유출을 방지하기 위해 불필요한 ZZ 결합을 최소화한다.
• 강한, 제어 가능한 XX 결합을 활용하여 고속, 고정밀도 단일 및 이중 큐비트 게이트를 달성한다.
• 장시간 운영 동안 안정된 게이트 성능을 입증함으로써 확장 가능성 잠재력을 검증한다.
• 계산 하위공간 외부의 고에너지 상태를 점유하지 않고도 고정밀도 얽힘 게이트를 실현한다.

제안 방법

• 작은 조지프슨 결합과 짧은 대형 결합 배열을 기반으로 한 조정 가능한 유도 결합기를 구현하여, 두 개의 무거운 플럭스온늄 큐비트 간에 플럭스 조절 가능한 유도 결합을 실현한다.
• 결합기의 플럭스 바이어스를 조절하여 XX 결합 강도를 −35 MHz에서 75 MHz로 조절함으로써 고속 게이트 동작을 가능하게 한다.
• 결합기의 오프 위치에서 XX 및 ZZ 결합 모두를 끌 수 있도록 설계하여, 단일 큐비트 게이트 동작을 가능하게 한다.
• 차주파수(|ω_b − ω_a|)에서 드라이브를 적용하여 √iSWAP 게이트를, 합주파수(ω_b + ω_a)에서 드라이브를 적용하여 √bSWAP 게이트를 실현한다.
• 효과적 해밀토니안을 유도하기 위해 회전파동 근사(RWA)를 적용하여 원하는 XX 상호작용을 분리하고 불필요한 항을 최소화한다.
• 리드블라드 마스터 방정식의 수치 시뮬레이션을 통해 비가역성 효과를 모델링하고, 붕괴, 위상 분산 및 쌍방향 간섭으로 인한 오차 기여도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조정 가능한 유도 결합기는 저주파수 플럭스온늄 큐비트 간에 강한, 제어 가능한 XX 결합을 실현하면서 ZZ 쌍방향 간섭을 억제할 수 있는가?
• RQ2 이 유도 결합 기반 기반으로 얻어질 수 있는 이중 큐비트 엉킴 게이트의 정밀도와 속도는 어느 정도인가?
• RQ3 장시간 운영 동안 게이트 정밀도는 얼마나 안정적인가? 주요 오차 원인은 무엇인가?
• RQ4 결합기는 계산 하위공간 외부의 고에너지 상태를 점유하지 않고도 고정밀도 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ5 RF 플럭스 쌍방향 간섭 및 캐리어-환경 위상 변동과 같은 요소들이 게이트 비정밀도에 어떤 영향을 미치며, 이를 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 조정 가능한 유도 결합기는 −35 MHz에서 75 MHz까지 넓은 XX 결합 범위를 실현하여 고속 이중 큐비트 게이트를 가능하게 한다.
• 결합기의 전체 바이어스 범위에서 ZZ 결합은 <3 kHz 이하로 억제되고, 결합기 오프 위치에선 <100 Hz 이하로 유지되어 불필요한 상호작용을 최소화한다.
• 102 ns 내에 √bSWAP 게이트를 99.91%의 정밀도로 실현하였으며, 이는 단지 5개의 큐비트 라모르 주기와 동일하다.
• 258 ns 내에 √iSWAP 게이트를 99.72%의 정밀도로 실현하여, 차주파수에서의 고정밀도 동작을 입증한다.
• 20시간 이상의 교차 엔트로피 기반 벤치마킹 결과, 드리프트가 미미함: √bSWAP 드리프트 <0.02% (2σ), √iSWAP 드리프트 <0.08% (2σ)로 장기적 안정성을 나타낸다.
• 비가역성은 총 비정밀도의 약 절반을 차지하는 주요 오차 원인으로 밝혀졌으며, 수치 시뮬레이션은 분석적 추정치와 뛰어난 일치를 보였다.