[논문 리뷰] Quantum crosstalk cancellation for fast entangling gates and improved multi-qubit performance

Ken Xuan Wei, Easwar Magesan외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 01.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 26인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 고정 결합 초전도 큐비트에서 정적 $ZZ$ 교차 채널을 제거하기 위해 결합된 트랜스몬 큐비트에 동시에 작용하는 원거리 공진이 아닌 AC 슈타르크 드라이브를 사용하는 siZZle 기법을 소개한다. 이러한 드라이브의 진폭과 위상을 조절함으로써, 더 빠르고 고정밀도의 두 큐비트 게이트를 가능하게 하며, 90 ns CNOT 게이트를 0.19%의 오차로 구현하였다. 또한 7 큐비트 시스템 전반에서 다중 큐비트 회로 성능을 향상시켜 스케일러블하고 고정밀도의 양자 계산을 위한 길을 열었다.

ABSTRACT

Quantum computers built with superconducting artificial atoms already stretch the limits of their classical counterparts. While the lowest energy states of these artificial atoms serve as the qubit basis, the higher levels are responsible for both a host of attractive gate schemes as well as generating undesired interactions. In particular, when coupling these atoms to generate entanglement, the higher levels cause shifts in the computational levels that leads to unwanted $ZZ$ quantum crosstalk. Here, we present a novel technique to manipulate the energy levels and mitigate this crosstalk via a simultaneous AC Stark effect on coupled qubits. This breaks a fundamental deadlock between qubit-qubit coupling and crosstalk, leading to a 90ns CNOT with a gate error of (0.19 $\pm$ 0.02) $\%$ and the demonstration of a novel CZ gate with fixed-coupling single-junction transmon qubits. Furthermore, we show a definitive improvement in circuit performance with crosstalk cancellation over seven qubits, demonstrating the scalability of the technique. This work paves the way for superconducting hardware with faster gates and greatly improved multi-qubit circuit fidelities.

연구 동기 및 목표

• 고정 결합 초전도 큐비트에서 빠른 얽힘 게이트와 교차 채널 사이의 근본적인 상충 관계를 극복하기 위해.
• 항상 켜져 있는 결합으로 인해 발생하는 정적 $ZZ$ 상호작용을 완화하여 다중 큐비트 게이트 정밀도를 떨어뜨리는 원인를 제거하기 위해.
• 조절 가능한 커퍼를 요구하지 않으며 복잡한 하드웨어가 필요 없는, 확장 가능한 마이크로파 전용 제어 기법을 개발하기 위해.
• 다중 경로 커퍼를 갖춘 7 큐비트 선형 격자에서 이 기법의 효과성을 입증하기 위해.
• 동적 수준 이동을 통해 게이트 속도를 교차 채널 제약에서 분리함으로써 더 빠른 게이트 속도와 더 높은 회로 정밀도를 실현하기 위해.

제안 방법

• 쌍의 두 큐비트에 원거리 공진이 아닌 마이크로파 드라이브(슈타르크 톤)를 적용하여, 에너지 수준을 조정하고 정적 $ZZ$ 상호작용을 상쇄시킨다.
• 두 슈타르크 드라이브 간의 위상 차이를 추가 제어 변수로 활용함으로써 정밀한 $ZZ$ 상호작용 상쇄 또는 증폭이 가능하다.
• 이론적 모델링은 이전의 스핀 기반 처리를 트랜스몬 큐비트로 확장하여, 슈타르크 이완된 수준 간격과 $ZZ$ 결합을 포함한 효과적 해밀토니안을 유도한다.
• 이 방법은 다중 경로 커퍼(MPC)를 사용하여 단일 경로 커퍼보다 필요한 슈타르크 톤 진폭을 감소시켜, 진폭 노이즈에 대한 내성을 향상시킨다.
• 게이트 연산은 크로스-레온던스 펄스를 사용하며, siZZle 없이 게이트 시간을 최적화하고, 정밀도는 무작위 기준 기반 측정을 통해 평가한다.
• 시스템은 목표 운영 지점에서 $ZZ$ 상호작용 상쇄를 달성하기 위해 슈타르크 톤의 위상과 진폭을 조절하여 校정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조절 가능한 커퍼 없이 동시에 작용하는 AC 슈타르크 이완을 통해 고정 결합 트랜스몬 큐비트에서 정적 $ZZ$ 교차 채널을 효과적으로 상쇄시킬 수 있는가?
• RQ2 이러한 교차 채널 상쇄 기법은 고정밀도를 유지하면서 얼마나 빠른 두 큐비트 게이트를 가능하게 하는가?
• RQ3 다중 경로 커퍼 아키텍처가 존재하는 상황에서 siZZle 기법은 다수 큐비트로 어떻게 확장되는가?
• RQ4 슈타르크 톤 간 위상 차이가 $ZZ$ 상호작용 상쇄의 제어 가능성과 내성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 기법은 다중 큐비트 프로세서에서 큐비트 공명성과 읽기 정밀도에 최소한의 영향을 미치면서 적용 가능한가?

주요 결과

• 90 ns CNOT 게이트를 (0.19 ± 0.02)%의 오차로 달성하여, 이전 보고에 비해 게이트 속도를 두 배로 향상시켰다.
• siZZle 기법을 통해 마이크로파 펄스만을 사용하여 새로운 고정밀도 CZ 게이트를 실현하였으며, 모든 트랜스몬 프로세서를 위한 도구 상자 확장을 이룩하였다.
• 7 큐비트 선형 체인에서 $ZZ$ 상호작용 상쇄로 정적 교차 채널이 감소하여 양자 볼륨 회로 성능에 측정 가능한 향상이 있었다.
• 다중 경로 커퍼를 사용함으로써 단일 경로 커퍼 대비 필요한 슈타르크 톤 진폭이 약 3.5배 감소하여 진폭 노이즈에 대한 민감도가 감소하였다.
• 큐비트 공명 시간(T₁ 및 T₂)은 일반적인 변동 범위 내에서 유지되었으며, T₂는 약간의 악화를 보였고, 드라이브로 인한 큐비트 주파수 이동은 ≤1.2 MHz 이내였다.
• 두 슈타르크 톤 간 위상 차이가 $ZZ$ 상호작용 상쇄 및 증폭을 동시에 가능하게 하는 핵심 제어 장치임을 입증하였다.