[論文レビュー] High-fidelity superconducting quantum processors via laser-annealing of transmon qubits

Eric Zhang, Srikanth Srinivasan+20 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 14

ひとこと要約

本論文では、固定周波数トランスモンキュービットを高精度に調整できるスケーラブルな手法としてレーザーアニーリング（LASIQ）を提示し、高保証性の量子プロセッサ実現を可能にする。レーザー熱アニーリングによるジョセフソン接合の抵抗値の選択的調整により、著者らは65キュービットプロセッサ上で18.5 MHzの周波数割り当て精度と98.7％の中央値2キュービットゲート保証性を達成したが、キュービットのコherenveは劣化しなかった。

ABSTRACT

Scaling the number of qubits while maintaining high-fidelity quantum gates remains a key challenge for quantum computing. Presently, superconducting quantum processors with >50-qubits are actively available. For such systems, fixed-frequency transmons are attractive due to their long coherence and noise immunity. However, scaling fixed-frequency architectures proves challenging due to precise relative frequency requirements. Here we employ laser annealing to selectively tune transmon qubits into desired frequency patterns. Statistics over hundreds of annealed qubits demonstrate an empirical tuning precision of 18.5 MHz, with no measurable impact on qubit coherence. We quantify gate error statistics on a tuned 65-qubit processor, with median two-qubit gate fidelity of 98.7%. Baseline tuning statistics yield a frequency-equivalent resistance precision of 4.7 MHz, sufficient for high-yield scaling beyond 1000-qubit levels. Moving forward, we anticipate selective laser annealing to play a central role in scaling fixed-frequency architectures.

研究の動機と目的

• 50キュービットを超えるスケーリングに伴い発生する周波数干渉の課題に対処する。
• ゲート保証性とスケーラビリティを制限する、プロセスに起因する周波数ばらつき（1–2％）を克服する。
• 高効率なプロセッサ製造を実現するため、スケーラブルでプロセス後調整可能な方法を確立し、正確で干渉のない周波数パターンを実現する。
• 調整がキュービットのコherenveやゲート性能を劣化させず、故障耐性の準備が整った状態を維持することを保証する。

提案手法

• プロセス後処理において、ジョセフソン接合の抵抗値を熱アニーリングで調整するレーザーアニーリング（LASIQ）を用い、トランスモンキュービット周波数の精密制御を実現する。
• ダイオード励起固体レーザー（532 nm）を用い、個々のキュービットに時間的・段階的な露光を施して、接合抵抗を単調に増加させる。
• 中間測定を組み込んだ適応的抵抗制御により、0.3％の許容誤差内での所望抵抗値をターゲットとし、これにより約10 MHzの周波数精度が達成される。
• モンテカルロモデリングを用いて、干渉のない周波数計画を生成し、処理前のチューニング効率を最適化する。
• チューニング後24時間以内にプラズマ洗浄とフラップチップボンディングを実施し、接合のドリフトを最小限に抑え、調整済み周波数の安定性を保持する。
• 時間領域シミュレーションを用い、ガウス・スクエアCRパルスおよびローティングパルスを用いたダフィングモデルにより、2キュービットゲート保証性をモデル化・最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザーアニーリングは、大規模な固定周波数トランスモン格子における周波数干渉を解消するのに十分な周波数調整精度を達成できるか？
• RQ2 LASIQチューニングプロセスは、マルチキュービットプロセッサにおけるキュービットコherenveやゲート保証性を劣化させるか？
• RQ3 冷害冷却およびボンディング工程を含めた全プロセスチェーンを経た後、実用的な周波数割り当て精度はどの程度達成可能か？
• RQ4 LASIQのベースライン抵抗チューニング精度（4.7 MHz）は、1000キュービットを超えるスケーラブルな製造をどの程度可能にするか？
• RQ5 次近隣キュービット間の周波数相互作用を含めた場合、チューニング戦略とエラー低減にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 冷害冷却およびボンディングを含む全プロセスチェーンを通じた実験的周波数割り当て精度は18.5 MHzであった。
• f₀₁(Rₙ)相関から導かれるLASIQのベースラインチューニング精度は4.7 MHzであり、1000キュービットを超える高効率スケーリングに十分な水準であった。
• 65キュービットのHummingbirdプロセッサは、レーザーアニーリング後、中央値2キュービットゲート保証性98.7％を達成した。
• チューニング済みと未チューニングのキュービットの間でT₁（79 ± 16 μs）やT₂（69 ± 26 μs）に統計的に有意な差は認められず、コherenveの劣化がないことが確認された。
• 未チューニングキュービットの残存周波数分散（σ_f ≈ 18.1 MHz）が全体の精度を制限しており、LASIQプロセス自体が原因ではないことが示された。
• 冷害再冷却安定性は5.7 MHzであった。これは、熱サイクルデータを活用することでf₀₁予測精度が向上する可能性を示唆している。