[논문 리뷰] Experimental realization of nonadiabatic geometric gates with a superconducting Xmon qubit

P. Z. Zhao, Zhangjingzi Dong외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 22.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초전도 Xmon 큐비트를 이용해 비단조적 아벨 기하 위상에 기반한 비단조적 기하 1 큐비트 양자 게이트를 실험적으로 구현함으로써, 제2(excited) 상태의 비편파화 문제를 피하고자 한다. 두 낮은 에너지 수준에서의 비단조적 아벨 기하 위상을 활용하여, 확장 가능한 초전도 플랫폼에서 고정밀도, 노이즈에 강한 내성을 지닌 양자 연산을 실현한다. 구현 결과, 양자 과정 토모그래피 기반 평균 게이트 편밀도는 99.6%이며, 무작위 기준 기반 평균 게이트 편밀도는 99.7%를 기록하여 높은 정밀도를 입증한다.

ABSTRACT

Geometric phases are only dependent on evolution paths but independent of evolution details so that they own some intrinsic noise-resilience features. Based on different geometric phases, various quantum gates have been proposed, such as nonadiabatic geometric gates based on nonadiabatic Abelian geometric phases and nonadiabatic holonomic gates based on nonadiabatic non-Abelian geometric phases. Up to now, nonadiabatic holonomic one-qubit gates have been experimentally demonstrated with the supercondunting transmon, where three lowest levels with cascaded configuration are all applied in the operation. However, the second excited states of transmons have relatively short coherence time, which results in a lessened fidelity of quantum gates. Here, we experimentally realize Abelian-geometric-phase-based nonadiabatic geometric one-qubit gates with a superconducting Xmon qubit. The realization is performed on two lowest levels of an Xmon qubit and thus avoids the influence from the short coherence time of the second excited state. The experimental result indicates that the average fidelities of single-qubit gates can be up to 99.6% and 99.7% characterized by quantum process tomography and randomized benchmarking, respectively.

연구 동기 및 목표

• 초전도 Xmon 큐비트를 사용해 향상된 노이즈 내성과 함께 고정밀도 비단조적 기하 양자 게이트를 실현하고자 한다.
• 트랜스몬 큐비트에서 제2 상태의 짧은 비편파화 시간으로 인한 정밀도 저하 문제를 해결하기 위해, 오직 두 낮은 에너지 수준에서만 운영함으로써 이를 해결하고자 한다.
• 비단조적 아벨 기하 위상이 고정밀도와 제어 오차에 대한 강건성을 갖춘 보편적인 1 큐비트 게이트를 가능하게 할 수 있음을 입증하고자 한다.
• 양자 과정 토모그래피와 무작위 기준 기반 평가를 모두 활용하여 게이트 성능을 종합적으로 정밀도 특성화함으로써 검증하고자 한다.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 해밀토니안 하에서 이중 준위 양자 시스템의 순환 진동을 통해 비단조적 아벨 기하 위상을 생성하는 프로토콜을 사용한다.
• 블로흐 구상에서의 조각 모양의 진동 경로를 활용하여 단일 루프로 임의의 1 큐비트 기하 게이트를 간단화하고 오차 원인을 줄인다.
• 과정 행렬을 재구성하고 게이트 정밀도를 계산하기 위해 양자 과정 토모그래피를 적용하며, 독출 오차를 보정하여 정확성을 확보한다.
• 클리포드 기반의 무작위 기준 기반 평가를 통해 평균 게이트 오차율과 정밀도를 추출하며, 기준 및 통합 프로토콜을 통해 총괄적 및 특정 게이트 성능을 구분한다.
• Xmon 큐비트는 제2 상태를 완전히 회피하기 위해 오직 두 낮은 에너지 수준(|0⟩ 및 |1⟩)에서 운영된다.
• 실험 설정은 마이크로파 레이저 펄스를 사용해 큐비트를 블로흐 구상의 기하 경로를 따라 구동하며, 동적 위상과 독립적인 기하 위상을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비단조적 아벨 기하 게이트는 초전도 Xmon 큐비트를 사용해 오직 두 낮은 에너지 수준에서 고정밀도로 실현될 수 있는가?
• RQ2 3-레벨 트랜스몬 기반 게이트와 비교했을 때, 제2 상태를 회피함으로써 비단조적 기하 게이트의 정밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 실제 초전도 하드웨어 플랫폼에서 표준 기준 평가 프로토콜인 양자 과정 토모그래피와 무작위 기준 기반 평가의 성능은 어떠한가?
• RQ4 실제 제어 불완전성 하에서 기하 위상은 초전도 큐비트 시스템에서 내재된 노이즈 내성 특성을 얼마나 제공하는가?
• RQ5 조각 모양의 진동 경로를 통해 단일 제어 루프로 보편적인 1 큐비트 기하 게이트를 효율적으로 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 양자 과정 토모그래피를 통해 측정한 비단조적 기하 게이트의 평균 과정 정밀도는 상태 준비 및 측정 오차 보정 후 99.6%에 도달한다.
• 무작위 기준 기반 평가 결과 평균 게이트 정밀도는 99.7%이며, 이는 분산 매개변수 p = 0.994와 평균 오차율 0.3%에 해당한다.
• 큐비트의 제2 상태를 회피함으로써, 3-레벨 트랜스몬 기반 토폴로지 게이트에서 정밀도를 제한하는 주요 비편파화 원인을 제거하였다.
• 정밀도 결과는 기하 위상이 제어 오차에 대해 내재된 강건성을 제공함을 입증하며, 표준 기준 평가 프로토콜에서도 높은 성능을 보였다.
• 단일 루프, 조각 모양의 진동 경로를 사용함으로써 보편적인 1 큐비트 기하 게이트를 효율적으로 실현할 수 있었으며, 제어 복잡성과 잠재적 오차 원인을 줄였다.
• 결과는 비단조적 아벨 기하 게이트가 확장 가능한 초전도 큐비트 플랫폼에서 실현 가능하고 고성능을 발휘함을 확인하였으며, 트랩드 이온 및 NV 중심과 같은 다른 양자 시스템으로의 확장 가능성도 있다.