[論文レビュー] High-contrast ZZ interaction using multi-type superconducting qubits

Peng Zhao, Peng Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、相反する符号の非調和性を持つキュービットを用いて、高対照度のZZ相互作用を実現するスケーラブルな超伝導量子アーキテクチャを提案する。ZZ結合の強力なオン/オフ制御を可能にすることで、残留ZZクロストークを低減し、CZやiSWAPなどの高精度な2キュービットゲートを実現し、マルチキュービット系におけるゲート不正確度を低下させ、性能を向上させる。

ABSTRACT

For building a scalable quantum processor with superconducting qubits, the ZZ interaction is of great concert because of relevant for implementing two-qubit gates, and the close contact between gate infidelity and its residual. Two-qubit gates with fidelity beyond fault-tolerant thresholds have been demonstrated using the ZZ interaction. However, as the performance of quantum processor improves, the residual static-ZZ can also become a performance-limiting factor for quantum gate operations and quantum error correction. Here, we introduce a scalable superconducting architecture for addressing this challenge. We demonstrate that by coupling two superconducting qubits with opposite-sign anharmonicities together, high-contrast ZZ interaction can be realized in this architecture. Thus, we can control ZZ interaction with high on/off ratio for implementing two-qubit CZ gate, or suppress it during the two-qubit gate operations using XY interaction (e.g. iSWAP). Meanwhile, the ZZ crosstalk related to neighboring spectator qubits can also be heavily suppressed in fixed coupled multi-qubit systems. This architecture could provide a promising way towards scalable superconducting quantum processor with high gate fidelity and low qubit crosstalk.

研究の動機と目的

• 高性能な超伝導量子プロセッサにおけるゲート精度とエラー訂正を制限する残留静的ZZ相互作用の増大という課題に対処すること。
• 固定結合マルチキュービット系における隣接するスレーブキュービットに起因するZZクロストークが引き起こす性能制限を克服すること。
• 2キュービットゲート操作中に、ZZ相互作用を強くオンまたは効果的にオフに制御できるスケーラブルなアーキテクチャを開発すること。
• XY相互作用を活用しながら有害なZZ結合を抑制することで、CZやiSWAPなどの高精度な2キュービットゲートを達成すること。

提案手法

• 相反する符号の非調和性を持つ2つの超伝導キュービットを結合して、高対照度のZZ相互作用を生成する。
• 設計された非調和性の対照を活用し、ZZ結合の強度と符号を動的に制御する。
• iSWAPなどのXY相互作用（例：iSWAP）を用いて2キュービットゲートを実装するが、ZZ結合の高いオン/オフ比により残留ZZ相互作用を能動的に抑制する。
• 固定結合マルチキュービットアーキテクチャを設計し、高対照度相互作用メカニズムのおかげで、隣接するキュービットからのZZクロストークが顕著に低減される。
• ZZ相互作用の調整可能性を活かして、ゲート操作を不要なZZ誘発不正確度から分離する。
• 固定結合レイアウトにおける複数のキュービットペアにわたるZZ相互作用に対する一貫した制御を維持することで、スケーラビリティを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相反する非調和性を持つキュービットを用いたスケーラブルな超伝導アーキテクチャで、高対照度のZZ相互作用を実現できるか？
• RQ2 iSWAPなどのXYベースのゲートを用いる場合、2キュービットゲート操作中に残留ZZ相互作用をどの程度低減できるか？
• RQ3 固定結合マルチキュービット系における隣接スレーブキュービットからのZZクロストーク低減効果は、どの程度効果的か？
• RQ4 ZZ結合の高いオン/オフ比は、故障耐性の閾値を超える高精度な2キュービットゲートを実現するのに有効か？
• RQ5 このアーキテクチャは、低キュービットクロストークと高ゲート精度を実現しながら、スケーラブルな量子処理をサポートできるか？

主な発見

• 相反する符号の非調和性を持つ超伝導キュービットを結合することで、高対照度のZZ相互作用が成功裏に実現された。
• ZZ相互作用は高いオン/オフ比で制御可能であり、2キュービットゲート操作中に効果的な抑制が可能となった。
• 残留静的ZZ相互作用が顕著に低減され、高精度なゲート操作における性能制限要因としての役割が軽減された。
• 固定結合マルチキュービット系において、エンジニアリングされた相互作用対照のおかげで、隣接するスレーブキュービットからのZZクロストークが著しく抑制された。
• ゲート操作を不要なZZ結合から分離することで、CZやiSWAPなどの高精度な2キュービットゲートが実現された。
• 提案された設計は、低ゲート不正確度と最小限のキュービットクロストークを実現する、故障耐性のある超伝導量子プロセッサへのスケーラブルな道筋を提供する。