[論文レビュー] Realization of Super-Robust Geometric Control in a Superconducting Circuit

Sai Li, Bao-Jie Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 61被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、非計算状態へのクロスカップリングを抑えるために新たな制約を課すことにより、超伝導回路におけるスーパーロバストな非断熱ホロノミック量子計算（NHQC）スキームを提案する。この手法は、準静的横方向エラーに対する不正確度の4次抑制を達成し、従来のNHQCおよびダイナミカルゲートと比較して著しくロバスト性が向上しており、動的位相の蓄積が実験的にも確認された減少を示している。

ABSTRACT

Geometric phases accompanying adiabatic quantum evolutions can be used to construct robust quantum control for quantum information processing due to their noise-resilient feature. A significant development along this line is to construct geometric gates using nonadiabatic quantum evolutions to reduce errors due to decoherence. However, it has been shown that nonadiabatic geometric gates are not necessarily more robust than dynamical ones, in contrast to an intuitive expectation. Here we experimentally investigate this issue for the case of nonadiabatic holonomic quantum computation~(NHQC) and show that conventional NHQC schemes cannot guarantee the expected robustness due to a cross coupling to the states outside the computational space. We implement a new set of constraints for gate construction in order to suppress such cross coupling to achieve an enhanced robustness. Using a superconducting quantum circuit, we demonstrate high-fidelity holonomic gates whose infidelity against quasi-static transverse errors can be suppressed up to the fourth order, instead of the second order in conventional NHQC and dynamical gates. In addition, we explicitly measure the accumulated dynamical phase due to the above mentioned cross coupling and verify that it is indeed much reduced in our NHQC scheme. We further demonstrate a protocol for constructing two-qubit NHQC gates also with an enhanced robustness.

研究の動機と目的

• 理論的にノイズ耐性を有すると期待されるが、実際の非断熱ホロノミック量子ゲートのロバスト性が限られている問題に対処すること。
• NHQCにおけるゲート精度を低下させる非計算状態へのクロスカップリング効果を特定し、それを緩和すること。
• 不要な遷移を抑えてロバスト性を向上させるゲート構築のための新しい制約の設計。
• 超伝導回路における高精度な単一および2キュービットホロノミックゲートを、より優れた誤差抑制を伴って実験的に示すこと。
• 新しいNHQCスキームにおけるクロスカップリングに起因する蓄積された動的位相の低減を検証すること。

提案手法

• 計算サブスペース外の状態へのカップリングを抑えるために、ゲート構築プロセスに新たな制約を導入する。
• これらの制約のもとで単一および2キュービットホロノミックゲートを実現する超伝導量子回路プラットフォームを実装する。
• 幾何位相が保持される一方で、非共鳴カップリングに起因する動的位相の蓄積を最小限に抑えるように制御パルスを設計する。
• 摂動解析を用いて、準静的横方向エラーに起因する不正確度が、従来の手法の2次ではなく4次に抑制されることを示す。
• さまざまな誤差条件下でのゲート精度および動的位相の実験的特徴付けを行い、ロバスト性を検証する。
• 同じ制約に基づくフレームワークを用いて、より高いロバスト性を示す2キュービットNHQCゲートを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ従来の非断熱ホロノミック量子ゲートは、期待されるノイズ耐性を達成できないのか？
• RQ2 非計算状態へのクロスカップリングは、超伝導キュービットにおけるホロノミックゲート精度をどの程度低下させるのか？
• RQ3 ゲート設計における新しい制約によって、非共鳴カップリングを抑えて2次以上の誤差抑制を達成できるか？
• RQ4 従来のNHQCと比較して、新しいNHQCスキームにおけるクロスカップリングに起因する蓄積された動的位相はどのように異なるか？
• RQ5 同じフレームワークを用いて、2キュービットホロノミックゲートの高ロバスト性を拡張できるか？

主な発見

• 提案されたNHQCスキームは、準静的横方向エラーに対する不正確度を4次に抑制し、従来のNHQCおよびダイナミカルゲートの2次抑制を上回る。
• 実験結果により、クロスカップリングに起因する蓄積された動的位相が顕著に減少していることが確認され、新たな制約の有効性が裏付けられた。
• 単一キュービットホロノミックゲートは、横方向エラー強度の広い範囲で高い精度を示し、ロバスト性が向上した。
• 同じ制約に基づくアプローチにより、より高いロバスト性を示す2キュービットNHQCゲートの構築が可能であり、スケーラビリティが実証された。
• 新しいスキームにおける測定された動的位相は、従来のNHQCよりも顕著に小さく、非共鳴カップリングへの感受性が低減していることが確認された。
• これらの結果は、設計された幾何位相を用いた、超伝導回路におけるフォールトトレランス量子制御への実用的道筋を確立した。