[論文レビュー] Dynamically Reconfigurable Photon Exchange in a Superconducting Quantum Processor

Brian Marinelli, Jie Luo+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フラックス調整可能なマルチモードの平面波ガイド（CPW）バス共振器を用いて、超伝導量子プロセッサ内での動的再構成可能な光子交換ネットワークを提案および実証する。このバス共振器が、qubit間の長距離で周波数選択性を持つ光子交換を媒介する。システムは、固定結合の制約なしに、9.2 cmの距離で最大0.9 MHzの光子交換レートを達成し、qubitのエンタングルメントパターンをオンチップ上で任意に再構成可能である。

ABSTRACT

Realizing the advantages of quantum computation requires access to the full Hilbert space of states of many quantum bits (qubits). Thus, large-scale quantum computation faces the challenge of efficiently generating entanglement between many qubits. In systems with a limited number of direct connections between qubits, entanglement between non-nearest neighbor qubits is generated by a series of nearest neighbor gates, which exponentially suppresses the resulting fidelity. Here we propose and demonstrate a novel, on-chip photon exchange network. This photonic network is embedded in a superconducting quantum processor (QPU) to implement an arbitrarily reconfigurable qubit connectivity graph. We show long-range qubit-qubit interactions between qubits with a maximum spatial separation of $9.2~ ext{cm}$ along a meandered bus resonator and achieve photon exchange rates up to $g_{ ext{qq}} = 2π imes 0.9~ ext{MHz}$. These experimental demonstrations provide a foundation to realize highly connected, reconfigurable quantum photonic networks and opens a new path towards modular quantum computing.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける固定された近隣qubit結合のスケーラビリティの限界を克服すること。
• NISQ時代の量子計算における効率的なエンタングルメント生成を可能にする、任意の動的再構成可能なqubit結合グラフを実現すること。
• 1つの可変マルチモードバス共振器を用いて、オンチップ上に光子ネットワークを実装し、遠く離れたqubit間のパラメトリック光子交換を媒介すること。
• 高い忠実度で周波数選択性を持つqubit-qubit相互作用を実現し、長距離コherenecとプログラマブルルーティングを可能にすること。
• バスのフラックスバイアスの周波数 multiplexed マイクロ波制御により、すべてのqubit間の結合を実験的に実現可能であることを示すこと。

提案手法

• フラックス調整可能なマルチモードCPWバス共振器を、超伝導トランスモンqubit間のパラメトリック光子交換を媒介する中心的結合素子として用いる。
• バス共振器は複数の共鳴モードをサポートし、多周波数動作とqubit相互作用のスペクトルフィルタリングを可能にする。
• バスへの外部フラックスバイアスの時間周期的変調を、時間依存ハミルトニアンのフーリエ解析により、qubit間のパラメトリック結合を誘導する。
• qubit周波数は周波数割り当てにより最適化され、デチューニングの分離を最大化し、不要なクロストークを最小限に抑え、効果的結合レートを最大9 MHzまで向上させる。
• 実験的特徴付けには、バスモードスペクトルをマップし、回路パラメータを抽出するためのスペクトロメータqubitが用いられ、弱く結合されたまたは外れ値のモードはフィッティングから除外される。
• 光子ルーティングとqubit-qubit交換ダイナミクスは、室温での周波数 multiplexed マイクロ波駆動により制御され、プログラマブルな結合性が実現される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの可変マルチモードバス共振器が、超伝導qubit間で動的再構成可能な長距離光子交換を可能にするか？
• RQ2 パラメトリックに変調されたバスを用いた場合、非近隣qubit間で達成可能な最大の光子交換レートはどの程度か？
• RQ3 スペクトル選択性をどのように実現すれば、クロストークを回避しつつ任意のqubit結合グラフを実現できるか？
• RQ4 このアーキテクチャを用いた場合、qubit-qubitエンタングルメントの忠実度は、長距離（最大9.2 cm）にわたりどの程度保持されるか？
• RQ5 このアーキテクチャは、外部制御により複数のqubit間で指向性のある光子ルーティングをサポートできるか？

主な発見

• メander形状のバス共振器に沿って最大9.2 cm離れたqubit間で、長距離光子交換が実証され、このアーキテクチャのスケーラビリティが裏付けられた。
• 実験的に最大0.9 MHz（g_qq = 2π × 0.9 MHz）の光子交換レートが達成され、高速かつコherentな相互作用が可能となった。
• qubitペア間の最小周波数デチューニングは35 MHzで測定され、5–9 MHzの効果的結合レートが実現可能であり、クロストークは最小限に抑えられた。
• 4つの異なるqubitにおけるパラメトリックqubit-バス結合レートは、qubit固有のフィッティングなしに理論予測と強く一致した。
• 分光的特徴付けにより、バスに9つの明確な共鳴モードが存在することが確認され、モードn=1とn=8はラムシフトおよび境界効果のためフィッティングから除外された。
• 3つのqubit間でプログラマブルで指向性のある光子ルーティングが実証され、フラックス制御による結合グラフの動的再構成性が確認された。