[논문 리뷰] High-Fidelity Qutrit Entangling Gates for Superconducting Circuits

Noah Goss, Alexis Morvan외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 15.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고정 주파수 트랜스몬 큐트리플렛에서 차등형 AC 스타크 시프트를 이용하여 고정밀도의 이중 큐트리플렛 얽힘 게이트를 제안한다. 이는 동적이고 마이크로파로 활성화되는 크로스-켈러 상호작용을 가능하게 하며, CZ† 게이트의 과정 허용도는 97.3(1)%이며 CZ 게이트는 95.2(3)%를 기록한다. 이는 이전의 트랜스몬 기반 큐트리플렛 게이트보다 크게 향상되었으며, 고신뢰성 양자 계산을 위한 고효율 클리포드 게이트 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Ternary quantum information processing in superconducting devices poses a promising alternative to its more popular binary counterpart through larger, more connected computational spaces and proposed advantages in quantum simulation and error correction. Although generally operated as qubits, transmons have readily addressable higher levels, making them natural candidates for operation as quantum three-level systems (qutrits). Recent works in transmon devices have realized high fidelity single qutrit operation. Nonetheless, effectively engineering a high-fidelity two-qutrit entanglement remains a central challenge for realizing qutrit processing in a transmon device. In this work, we apply the differential AC Stark shift to implement a flexible, microwave-activated, and dynamic cross-Kerr entanglement between two fixed-frequency transmon qutrits, expanding on work performed for the $ZZ$ interaction with transmon qubits. We then use this interaction to engineer efficient, high-fidelity qutrit CZ$^†$ and CZ gates, with estimated process fidelities of 97.3(1)% and 95.2(3)% respectively, a significant step forward for operating qutrits on a multi-transmon device.

연구 동기 및 목표

• 초기 상태 또는 하위공간 제한이 있는 상호작용의 한계를 극복하고 초고정밀도의 이중 큐트리플렛 얽힘 게이트를 개발하기 위해.
• 고정 주파수 트랜스몬에서의 차등형 AC 스타크 시프트를 활용하여 동적이고 조절 가능하며 고정밀도의 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 양자 오류 수정을 위한 큽드 시스템에서 사용 가능한 보편적이고 최대로 얽힌 클리포드 게이트(CZ 및 CZ†)를 구현하기 위해.
• 얽힘 상호작용의 큰 on/off 비율을 통해 동시에 단일 및 이중 큐트리플렛 연산을 가능하게 하기 위해.
• 사이클 및 크로스 엔트로피 벤치마킹을 활용한 보다 일반화된 평가 프로토콜을 개발하여 큽드 시스템에서의 게이트 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고정 주파수 트랜스몬 큐트리플렛 두 개에 차등형 AC 스타크 시프트를 적용하여 정적 결합 상태에서 동적 크로스-켈러 상호작용을 유도한다.
• 마이크로파 드라이브를 사용하여 큐트리플렛 수준을 조절하고 동적으로 얽힘 위상을 활성화함으로써 정적 결합의 한계를 피한다.
• 드라이브의 진폭과 주파수를 정밀하게 제어하여 제어 위상 게이트(CZ)와 그 역행(CZ†)을 생성하도록 상호작용을 설계한다.
• 사이클 벤치마킹과 큽드 시스템에 맞게 일반화된 크로스 엔트로피 벤치마킹 절차를 사용하여 과정 허용도를 측정한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 게이트 기법이 추가적인 이중 큐트리플렛 클리포드 게이트 생성에 효율적임을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 주파수 트랜스몬 큐트리플렛에서 마이크로파로 활성화되는 동적 얽힘 상호작용을 설계하여 고정밀도의 이중 큐트리플렛 게이트를 달성할 수 있는가?
• RQ2 차등형 AC 스타크 시프트는 튜너블 큐비트나 복잡한 커플러를 요구하지 않고도 조절 가능하고 고정밀도의 얽힘을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 이 방법을 사용하여 다중 큐트리플렛 트랜스몬 프로세서에서 CZ 및 CZ† 게이트의 도달 가능한 과정 허용도는 얼마인가?
• RQ4 이 게이트 기법은 큰 on/off 비율 덕분에 동시에 단일 및 이중 큐트리플렛 연산을 지원할 수 있는가?
• RQ5 이 게이트 아키텍처는 큽드 양자 계산에서 다른 이중 큐트리플렛 클리포드 게이트 생성에 대해 확장 가능하고 효율적인가?

주요 결과

• CZ† 게이트는 97.3(1)%의 과정 허용도를 기록하여 이전의 이중 큐트리플렛 트랜스몬 게이트 대비 비정밀도가 4배 감소한 것으로 나타났다.
• CZ 게이트는 95.2(3)%의 과정 허용도를 기록하여 확장 가능한 초전도 큐트리플렛 아키텍처에서 고정밀도의 얽힘을 실현함을 보여주었다.
• 차등형 AC 스타크 시프트는 큰 on/off 비율을 가진 동적이고 조절 가능하며 고정밀도의 얽힘 상호작용을 가능하게 하여 향후 동시 운영을 지원한다.
• 게이트 기법은 추가적인 이중 큐트리플렛 클리포드 게이트 생성에 있어 수치적으로 효율적임을 입증하여 보편적인 큽드 계산을 지원한다.
• 사이클 및 일반화된 크로스 엔트로피 벤치마킹을 포함한 평가 프레임워크는 큽드 시스템에서의 게이트 성능 검증에 성공적으로 활용되었다.