[논문 리뷰] Mitigating information leakage in a crowded spectrum of weakly anharmonic qubits

Visa Vesterinen, O.-P. Saira외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 02.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 주파수로 빽빽하게 배치된, 약한 비조화성을 가진 트랜스몬 큐비트에서 Wah-Wah 제어—DRAG와 사이드밴드 변조를 조합한 분석적 펄스 형상 기법—가 내부 및 외부 누출을 효과적으로 억제함을 실험적으로 입증한다. 16 ns의 펄스 시간 동안에도, 공통 피드라인을 사용하여 디코herence 제한된, 교차하는 단일 큐비트 제어를 가능하게 하며, 단계당 평균 오차가 ≤1% 이하이며, 표준 DRAG에 비해 교차 캐리어 억제 성능이 뛰어나고 큐비트의 정지 상태 유지 성능도 유지한다.

ABSTRACT

A challenge for scaling up quantum processors using frequency-crowded, weakly anharmonic qubits is to drive individual qubits without causing leakage into non-computational levels of the others, while also minimizing the number of control lines. To address this, we implement single-qubit Wah-Wah control in a circuit QED processor with a single feedline for all transmon qubits, operating at the maximum gate speed achievable given the frequency crowding. Randomized benchmarking and quantum process tomography confirm alternating qubit control with $\leq$1% average error per computational step and decoherence-limited idling of one qubit while driving another with a Wah-Wah pulse train.

연구 동기 및 목표

• 여러 큐비트에 대해 단일 제어 라인을 사용할 때 주파수로 빽빽하게 배치된, 약한 비조화성을 가진 초전도 큐비트에서의 정보 누출 문제를 해결하기 위해.
• 높은 주파수 빽빽함 조건에서 표준 DRAG 펄스가 이웃 큐비트의 비계산 상태로의 큰 누출을 유도하는 제한점을 극복하기 위해.
• Wah-Wah 제어—사이드밴드 변조와 네 개의 조정 가능한 파ameter를 포함—가 큐비트 간 주파수 분리에 의해 정해진 물리적 한계에 가까운 펄스 속도를 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 이웃 큐비트가 활성적으로 제어되는 동안, 제어되지 않은 큐비트의 디코herence 제한된 정지 상태 유지 성능을 유지하는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 2D 회로 QED 아키텍처를 사용하여 단일 공유 피드라인을 통해 두 개의 트랜스몬 큐비트를 구동하며, 제어선 수를 최소화하면서 교차 캐리어를 최대한 억제한다.
• 펄스 최적화는 독립적으로 측정된 매개변수(예: 비조화성, 전이 주파수 등)를 기반으로 한 단순한 시스템 해밀토니안 모델을 사용하여 가속화된다.
• 평균 게이트 오차를 정량화하기 위해 교차하는 큐비트 제어를 사용한 랜덤라이즈드 벤치마킹(RB)을 적용하며, 제어 불완전성만을 분리하기 위해 가상 Z-게이트 보정을 사용한다.
• 제어 중 제어되지 않은 큐비트의 진화 품질을 평가하기 위해 양자 프로세스 토모그라피(QPT)를 사용한다.
• DRAG 및 Wah-Wah 펄스 하에서 제어되지 않은 큐비트의 세 번째 상태로의 누출을 직접 관찰하기 위해 스토로스코픽 인구 측정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Wah-Wah 제어는 단일 피드라인을 사용하는 주파수로 빽빽한 초전도 큐비트 시스템에서 내부 및 외부 누출을 모두 억제할 수 있는가?
• RQ2 이웃 큐비트가 고속 펄스로 활성적으로 구동되는 동안, Wah-Wah 제어는 제어되지 않은 큐비트의 디코herence 제한된 정지 상태 유지 성능을 유지하는가?
• RQ3 동일한 게이트 시간 조건에서 Wah-Wah 제어의 평균 게이트 오차 및 누출 성능은 표준 DRAG에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 네 개의 파ameter를 가진 분석적 펄스 형상은 실제로 효율적으로 최적화될 수 있으며, 큐비트 간 주파수 분리에 의해 정해진 물리적 한계에 가까운 게이트 속도를 가능하게 하는가?
• RQ5 16 ns의 매우 짧은 게이트 시간에서도 Wah-Wah 펄스링 중 제어되지 않은 큐비트의 진화 품질이 유지되는가?

주요 결과

• Wah-Wah 제어는 제어되지 않은 큐비트의 외부 누출을 근본적으로 줄이며, 펄스 종료 시 모든 인구가 계산 하위공간으로 복귀하는 반면, DRAG는 상당한 제3준위 인구를 유도한다.
• Wah-Wah 펄스를 사용한 교차하는 단일 큐비트 제어는 단계당 평균 오차가 ≤1.0% 이하이며, 디코herence 제한된 기준선과 구분되지 않을 정도로 낮다.
• 다른 큐비트에 대해 Wah-Wah 펄스를 적용하는 동안 제어되지 않은 큐비트의 평균 게이트 품질은 진정된 정지 상태와 거의 동일하며, 디코herence 제한된 작동임을 확인한다.
• 16 ns, 20 ns, 24 ns의 게이트 시간에서, Wah-Wah 제어 하에서 제어되지 않은 큐비트의 품질은 진정된 정지 상태와 실험적 불확도 범위 내에 있으며, DRAG에 의한 열화는 게이트 시간이 짧아질수록 악화된다.
• 양자 프로세스 토모그라피는 DRAG 하에서 정지 상태 유지 품질이 떨어지는 것이 불완전한 다이내믹 디커파이링 또는 Z-게이트 보정 때문이 아니라, 유도된 누출 때문임을 확인한다.
• 네 개의 파ameter를 가진 Wah-Wah 펄스 형상은 최적화에 효과적이고 실용적이며, 빽빽한 주파수 스펙트럼에서 전용 제어선 없이도 고정밀 제어를 가능하게 한다.