[論文レビュー] An efficient and compact quantum switch for quantum circuits

Yulin Wu, Li‐Ping Yang+12 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、フラックスキュービットとレゾネータ間の結合を動的に遮断するコンactで効率的な量子スイッチを提案しており、縦方向の制御場を用いてオン/オフ比が100 dBを超える。dc-SQUIDループを通じて高速なzパルスを印加することで、有効結合強度を100 Hz未満に低下させ、周波数のデチューニングを伴わせることなくコherent制御を可能にし、周波数クラッタリングを克服するとともに、最適点におけるキュービットのコherenceを維持する。

ABSTRACT

The engineering of quantum devices has reached the stage where we now have small scale quantum processors containing multiple interacting qubits within them. Simple quantum circuits have been demonstrated and scaling up to larger numbers is underway. However as the number of qubits in these processors increases, it becomes challenging to implement switchable or tunable coherent coupling among them. The typical approach has been to detune each qubit from others or the quantum bus it connected to, but as the number of qubits increases this becomes problematic to achieve in practice due to frequency crowding issues. Here, we demonstrate that by applying a fast longitudinal control field to the target qubit, we can turn off its couplings to other qubits or buses (in principle on/off ratio higher than 100 dB). This has important implementations in superconducting circuits as it means we can keep the qubits at their optimal points, where the coherence properties are greatest, during coupling/decoupling processing. Our approach suggests a new way to control coupling among qubits and data buses that can be naturally scaled up to large quantum processors without the need for auxiliary circuits and yet be free of the frequency crowding problems.

研究の動機と目的

• キュービット結合における周波数クラッタリングが原因で生じるスーパーコンダクティング量子プロセッサのスケーラビリティの課題に対処すること。
• キュービットを最適なコherence点からずらさずに、キュービット-レゾネータ結合を動的にスイッチングする方法を開発すること。
• 補助的結合素子や周波数調整の必要を排除し、回路の複雑さとデcohrenceの発生源を低減すること。
• スケーラブルな量子情報処理を可能にする高精度なイン・サイト制御によるコherent結合を実現すること。

提案手法

• 最小のジャンクションをdc-SQUIDで置き換えた三ジャンクションのフラックスキュービットが、フラックスバイアスラインを通じた縦方向制御を可能にする。
• αバイアスラインを通じて印加される縦方向の制御パルス（zパルス）が、キュービットとレゾネータ間の有効結合強度を変調する。
• 制御場の振幅がλ_zoff ≈ 180 MHzに達すると、結合が遮断され、有効結合強度g_effが100 Hz未満に低下する。
• 系は励起状態に準備され、結合の最適点にずらされ、真空ラビ振動と状態測定を用いてコherentダイナミクスがモニタリングされる。
• キュービットの周波数を変更せずにスイッチングが実現され、非断熱漏れを回避し、コherenceを保持する。
• 理論的シミュレーションにより、スイッチオフ点におけるオン/オフ比R < 10⁻⁵であることが確認され、ほぼ完全な分離が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キュービットを最適な動作点からずらさずに、キュービット-レゾネータ結合を動的にオフにできるか？
• RQ2 縦方向の制御場が、追加のデcohrence源を導入せずに、高いオン/オフ比の結合強度を実現できるか？
• RQ3 制御パルスを用いて、イン・サイトでコherentなキュービット-レゾネータダイナミクスを一時停止・再開できるか？
• RQ4 特にレゾネータに量子状態を保存する際、結合オフ期間中でもコherenceが保持されるか？

主な発見

• 縦方向の制御場がλ_zoff ≈ 180 MHzに達すると、キュービットとレゾネータ間の結合が遮断され、反交差ギャップΔ_gは検出できなくなる。
• スイッチオフ点で真空ラビ振動が停止し、有効な分離が確認され、理論的g_eff/2π < 100 Hzである。
• オン/オフ比が100 dBを超えることから、R < 10⁻⁵に相当し、高精度なスイッチングが実証された。
• スイッチオフパルス中は、初期状態にかかわらず、コherent振動が一時停止し、その後再開される。
• キュービット状態はレゾネータにスワップされ、1.5 μs間、キュービットの緩和時間の3倍以上にわたって保存され、その後コherent結合が再開される。
• この手法はスケーラブルであり、縦方向制御が可能な任意のキュービット系と互換性があり、補助回路を一切必要としない。