[논문 리뷰] Tunable three-body coupler for superconducting flux qubits

Denis Melanson, Antonio Martinez외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 플럭스 큐비트 간 강한, 조절 가능한 ZZZ 상호작용을 가능하게 하며 불필요한 두 개체 항목의 거의 완전한 상쇄를 실현하는 초전도성 세 개체 커플러를 제안한다. 두 개의 결합된 조절 가능한 rf-SQUID를 사용함으로써, 이 설계는 양자 안일링과 고차원 양자 시뮬레이션에 적합한 강건하고 노이즈에 민감하지 않은 세 큐비트 얽힘을 실현한다.

ABSTRACT

The implementation of many-body interactions is relevant in various areas of quantum information. We present a superconducting device that implements a strong and tunable three-body interaction between superconducting quantum bits, with vanishing two-body interactions and robustness against noise and circuit parameter variations. These properties are confirmed by calculations based on the Born-Oppenheimer approximation, a two-level model for the coupling circuit, and numerical diagonalization. This circuit behaves as an ideal computational basis ZZZ coupler in a simulated three-qubit quantum annealing experiment. This work will be relevant for advanced quantum annealing protocols and future developments of high-order many-body interactions in quantum computers and simulators.

연구 동기 및 목표

• 플럭스 큐비트 간 강한, 조절 가능한 세 개체 상호작용을 가능하게 하면서도 저차수의 두 개체 상호작용을 억제하는 초전도성 커플러를 설계하는 것.
• 낮은 복잡도의 회로 구조에서 플럭스 노이즈와 제조 변동성에 대한 강건성을 확보하는 것.
• 양자 안일링 및 양자 시뮬레이션 플랫폼에서 실용적인 고차수 상호작용의 구현을 가능하게 하는 것.
• 이중 rf-SQUID 회로에 대칭적으로 연결된 큐비트를 통해 두 개체 항목의 효과적인 상쇄를 보여주는 것.
• 보른-오펜하이머 근사, 이중 준위 모델링 및 수치 대각화를 통해 커플러 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 커플러는 두 개의 조절 가능한 rf-SQUID(c1 및 c2)를 사용하며, 각각 메인 루프와 보조 조셉슨 접합 루프를 지닌다. 이들은 제어 가능한 자기 감수율을 통해 상호작용을 매개한다.
• 큐비트 q1은 c1 및 c2 양쪽 모두에 동일한 크기이지만 반대 방향의 플럭스 기여를 하여, q1과 q2 사이의 두 개체 항목이 상쇄되는 간섭을 유도한다.
• 큐비트 q3는 커플러의 양쪽 지점에 대칭적으로 연결되어 있어, q3와 q1, q2 사이의 두 개체 항목이 상쇄됨을 보장한다.
• 세 개체 상호작용 강도 $ J_{123} $ 는 rf-SQUID의 메인 루프 및 보조 루프에 외부 플럭스 바이어스를 통해 조절된다.
• 결합 동역학을 모델링하기 위해 보른-오펜하이머 근사를 적용하였으며, 효과적 해밀토니안의 유효성을 검증하기 위해 수치 대각화를 사용하였다.
• 큐비트 에너지 척도와 커플러 파rameter는 커플러의 감수율을 고려하여 재규격화되어, 안일링 해밀토니안에 정확하게 매핑되도록 보장된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 복잡도의 초전도 회로가 플럭스 큐비트 간 강한, 조절 가능한 세 개체 상호작용을 실현하면서도 두 개체 항목이 거의 없는가?
• RQ2 이중 rf-SQUID 회로에 대칭적으로 연결함으로써 두 개체 상호작용은 얼마나 효과적으로 상쇄될 수 있는가?
• RQ3 실제 장치 파라미터에서 플럭스 노이즈와 제조 변동성에 대해 세 개체 상호작용은 어느 정도 강건한가?
• RQ4 양자 안일링 환경에서 실제 노이즈와 파라미터 변동성 하에서 커플러는 고성능 ZZZ 상호작용을 유지할 수 있는가?
• RQ5 환경 노이즈와 설계 결함이 존재하는 상황에서 세 개체 상호작용 강도의 조절 가능성과 안정성은 어느 정도 가능한가?

주요 결과

• 세 개체 상호작용 강도 $ J_{123} $ 는 0.915 GHz에 도달하여 일반적인 큐비트 에너지 분할과 유사한 수준이며, 강한 얽힘 상호작용을 가능하게 한다.
• 두 개체 상호작용는 10 MHz 이하로 억제되었으며, $ \tilde{J}_{12}, \tilde{J}_{13}, \tilde{J}_{23} $ 는 모두 0.015 GHz 이하로 유지되어 효과적인 상쇄가 확인되었다.
• 플럭스 노이즈는 국소 필드에 최대 0.102 GHz의 표준 편차를 유도하지만, 세 개체 상호작용는 오직 0.3 GHz의 표준 편차만을 보이며 안정성을 유지한다.
• 명목값의 3% 이내의 제조 변동성은 상호작용 강도와 두 개체 상호작용 상쇄에 미미한 영향을 미치며, 성공적인 바이어스 포인트 최적화로 인해 거의 영이 되는 두 개체 항목이 유지된다.
• 수치 시뮬레이션은 커플러가 세 큐비트 양자 안일링 실험에서 이상적인 ZZZ 커플러처럼 행동함을 확인하여 그 기능적 정밀도를 검증한다.
• 다양한 노이즈 및 변동 상황에서도 커플러는 강건성을 유지하며, 확장 가능한 양자 안일링 및 양자 시뮬레이션 플랫폼에서의 실용성을 입증한다.