[논문 리뷰] Frequency Up-Conversion Schemes for Controlling Superconducting Qubits

Johannes Herrmann, Christoph Hellings외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 05.

Optical Network Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트를 위한 고정밀 마이크로파 펄스를 생성하기 위해 전통적인 IQ 혼합을 대체하는 더블 주파수 업컨버전 방식을 제안한다. 이는 두 단계의 연속된 혼합 단계와 아날로그 필터링을 통해 잡음 성분을 억제한다. 이 방법은 70 dB 이상의 비잡음 동적 범위를 달성하며, 표준 IQ 혼합 대비 온도 민감도가 감소하고 단일 큐비트 게이트 편의성이 향상된다.

ABSTRACT

High-fidelity control of superconducting qubits requires the generation of microwave-frequency pulses precisely tailored on nanosecond timescales. These pulses are most commonly synthesized by up-converting and superimposing two narrow-band intermediate-frequency signals referred to as the in-phase (I) and quadrature (Q) components. While the calibration of their DC-offsets, relative amplitude and phase allows one to cancel unwanted sideband and carrier leakage, this IQ mixing approach suffers from the presence of additional spurious frequency components. Here, we experimentally study an alternative approach based on double frequency conversion, which overcomes this challenge and circumvents the need for IQ-calibration. We find a spurious-free dynamic range of more than 70$\,$dB and compare the quality of pulse generation against a state-of-the-art IQ mixing scheme by performing repeated single-qubit randomized benchmarking on a superconducting qubit.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트 제어에서 전통적인 IQ 혼합의 한계, 특히 잡음 주파수 성분과 광범위한 校정이 요구되는 문제를 해결하기 위해.
• 파괴적 간섭에 의존하지 않고 불필요한 사이드밴드와 캐리어 누설을 억제하는 대체 주파수 업컨버전 방식을 개발하기 위해.
• 신호 왜곡과 환경 민감도, 특히 온도 유도 변동을 줄임으로써 단일 큐비트 게이트 편의성을 향상시키기 위해.
• 실제 초전도 큐비트에서 무작위 기준 측정을 통해 더블 컨버전 방식의 성능을 최신 기술 수준의 IQ 혼합과 비교하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 각각 다른 주파수의 로컬 오실레이터(LO)를 사용하여 간섭 주파수(IF) 신호를 두 번의 순차적 주파수 업컨버전 단계로 올리는 방식을 채택한다.
• 각 혼합 단계 이후에 아날로그 밴드패스 필터를 적용하여 불필요한 사이드밴드와 캐리어 누설을 억제함으로써, IQ 진폭 및 위상 校정이 필요 없어진다.
• 두 단계의 IF 신호는 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 통해 독립적으로 생성되어 펄스 에너지의 정밀한 제어를 보장한다.
• 최종 출력은 필터링과 다중 혼합 덕분에 잡음 성분이 극히 적은 고주파 마이크로파 펄스로, 큐비트 전이 주파수 중심에 위치한다.
• 실험적 검증을 위해 고밀도 IQ 변환기(HDIQ)와 초고주파 신호 발생기(SHFSG)를 사용한다.
• 펄스 편의성은 UHFQA 디지타이저에서 가중 통합 방식을 사용해 수행된 전이 큐비트에서 반복적인 무작위 기준 측정을 통해 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더블 주파수 업컨버전 방식은 초전도 큐비트 제어에서 전통적인 IQ 혼합보다 잡음 성분을 더 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 IQ 校정을 제거함으로써 온도 변화와 같은 다양한 환경 조건에서의 안정성과 성능 향상이 이루어지는가?
• RQ3 더블 컨버전 방식의 비잡음 동적 범위(SFDR)는 표준 IQ 혼합과 비교해 어떠한가?
• RQ4 더블 컨버전 방법은 측정 가능한 수준의 단일 큐비트 게이트 편의성 향상에 기여하는가?
• RQ5 스펙트럼 순도와 펄스 편의성 측면에서 더블 컨버전 방식의 신호 품질은 IQ 혼합과 비교해 어떠한가?

주요 결과

• 더블 주파수 업컨버전 방식은 비잡음 동적 범위(SFDR)가 70 dB를 초과하여, 불필요한 스펙트럼 성분 억제 측면에서 기존의 IQ 혼합보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 각 혼합 단계 이후 아날로그 필터링을 통해 사이드밴드와 캐리어 누설을 억제함으로써, IQ 校정이 필요 없어진다.
• 환경 온도 변화에 대한 민감도가 감소하여 시간이 지남에 따라 더 안정적인 펄스 생성이 가능해진다.
• 단일 큐비트 무작위 기준 측정 결과, 더블 컨버전 방식을 사용할 경우 IQ 혼합 대비 약간이지만 측정 가능한 수준의 게이트 편의성 향상이 관찰되었다.
• 실제 전이 큐비트를 사용한 실험 설정에서 상단 센터 지점에서 삼상 읽기 오차는 2.8%를 기록했으며, |g⟩ 상태의 할당 확률은 99.7%, |e⟩는 95.8%, |f⟩는 96.0%였다.
• 결과적으로 더블 컨버전 접근 방식은 더 깔끔한 마이크로파 펄스를 제공하고 잡음 방출을 줄여 더 높은 정밀도의 양자 제어를 가능하게 한다는 것이 확인되었다.