[論文レビュー] Realization of high-fidelity CZ and ZZ-free iSWAP gates with a tunable coupler

Youngkyu Sung, Leon Ding+15 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Nov 2, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 51

ひとこと要約

本論文は tunable transmon coupler を用いて高忠実度の CZ および ZZ-free iSWAP ゲートを実現し、最適化された制御により leakage および ZZ 相互作用を抑制し、対応する 99.76 ± 0.07% および 99.87 ± 0.23% の二量子ビット相互作用忠実度を達成した。

ABSTRACT

High-fidelity two-qubit gates at scale are a key requirement to realize the full promise of quantum computation and simulation. The advent and use of coupler elements to tunably control two-qubit interactions has improved operational fidelity in many-qubit systems by reducing parasitic coupling and frequency crowding issues. Nonetheless, two-qubit gate errors still limit the capability of near-term quantum applications. The reason, in part, is the existing framework for tunable couplers based on the dispersive approximation does not fully incorporate three-body multi-level dynamics, which is essential for addressing coherent leakage to the coupler and parasitic longitudinal ($ZZ$) interactions during two-qubit gates. Here, we present a systematic approach that goes beyond the dispersive approximation to exploit the engineered level structure of the coupler and optimize its control. Using this approach, we experimentally demonstrate CZ and $ZZ$-free iSWAP gates with two-qubit interaction fidelities of $99.76 \pm 0.07$% and $99.87 \pm 0.23$%, respectively, which are close to their $T_1$ limits.

研究の動機と目的

• パラサイト結合と漏洩を克服するため、超伝導量子ビットのスケーラブルで高忠実度の二量子ビットゲートを動機づける。
• カプラの多レベル構造を活用して分散近似を超える tunable coupler アプローチを開発・実証する。
• 最適化された制御とカプラ設計によって、高速な二量子ビットゲートの過程でコヒーレント漏洩と残留 ZZ 相互作用を抑制する。
• インタリーブ randomized benchmarking において、CZ および ZZ-free iSWAP ゲートがコヒーレンス限界に近い忠実度に達することを実験的に示す。

提案手法

• 二つの量子ビットと tunable coupler を持つ三体系を、交換型結合を持つ Duffing 発振器としてモデル化する。
• 特定のレベル間の非断熱遷移を介して CZ および iSWAP を可能にする回避交差を生み出すように coupler 周波数を調整する。
• 漏洩動的を説明するために、明色/暗色状態の概念を用いた二レベル系縮約（単一励起および二重励起マニホールド）で leakage dynamics を記述する。
• CZ および iSWAP の間に漏洩を抑制するため、 coupler 周波数の最適制御パルス（Slepian ベース）を設計する。
• カプラの上位エネルギーレベル（020）を活用して ZZ 相互作用を打ち消し、ZZ-free iSWAP を実現する。
• インタリーブド・ランダム化ベンチマークでゲート性能を定量化し、Lindblad シミュレーションを用いて T1 限界と比較する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多レベル構造を備えた tunable coupler を設計すれば、コンパクトな超伝導回路で高忠実度の CZ および ZZ-free iSWAP ゲートを実現できるか。
• RQ2 高速な二量子ビットゲートの間に coupler へのコヒーレント漏洩を抑制するよう、制御パルスをどう最適化できるか。
• RQ3 iSWAP における残留 ZZ 相互作用は、 coupler の上位レベルを活用することで打ち消せるか。
• RQ4 このアーキテクチャで CZ および iSWAP ゲートの実験的に達成可能な忠実度は、T1 限界と比較してどの程度か。

主な発見

• CZ ゲートは 60 ns ゲートで F_CZ = 99.76 ± 0.07% を達成。
• ZZ-free iSWAP ゲートは 30 ns ゲートで F_iSWAP = 99.87 ± 0.23% を達成。
• 最適制御は CZ 漏洩を低減し、二量子ビット Clifford エラー率を改善する。
• iSWAP 中の残留 ZZ は、カプラの上位レベル（020）を利用してレベル反発を相殺することで打ち消され、ZZ 角度はほぼゼロとなる。
• カプラへの漏洩は、二レベル系モデリングとSlepianベースのパルスによって抑制される。
• ゲート忠実度は Lindblad シミュレーションに従い T1 限界に近づく。