[論文レビュー] Syncopated Dynamical Decoupling for Suppressing Crosstalk in Quantum Circuits

Bram Evert, Zoe Gonzalez Izquierdo+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、時間遅延、周波数倍増、演算子の入れ替えを組み合わせたパルス列を用いて、超伝導量子回路におけるクロストークを抑制する新規技術である同期的ダイナミカルデカップリング（SDD）を導入する。この手法は、同時に単一キュービットのデコherenceを軽減し、静的ZZ型クロストークを選択的にキャンセルする。Rigetti Aspenチップ上での実験的検証を通じて、ラムゼイ干渉計測定と最適化されたパルス列を用いて、QAOA回路の忠実度が2.5倍向上したことが示された。

ABSTRACT

Theoretically understanding and experimentally characterizing and modifying the underlying Hamiltonian of a quantum system is of utmost importance in achieving high-fidelity quantum gates for quantum computing. In this work, we explore the use of dynamical decoupling (DD) in characterizing and suppressing undesired two-qubit couplings as well as the underlying single-qubit decoherence, both significant hurdles to achieving precise quantum control and realizing quantum computing on many hardware prototypes. Through discrete search of dynamical decoupling sequences, we identify sequences that protect against decoherence and selectively target unwanted two-qubit interactions of general form. On a transmon-qubit-based superconducting quantum device, we identify separate white and 1/f noise components underlying the single-qubit decoherence and a static ZZ coupling between pairs of qubits. A family of syncopated dynamical decoupling sequences is found and their efficiency demonstrated in two-qubit benchmarking experiments. The syncopated decoupling technique significantly boosts performance in a realistic algorithmic quantum circuit.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける静的ZZクロストークをスケーラブルに抑制する手法を開発すること。
• 統一されたパルス列フレームワークを用いて、単一キュービットのデコherenceと2キュービットのクロストークの両方を同時に防止すること。
• ラムゼイ測定とデカップリング列を組み合わせることで、ZZ結合強度を正確に特徴付ける方法を提供すること。
• SDDをランダム化コンpileと統合し、アルゴリズム的量子回路における誤り軽減を強化すること。
• SDDがトランモンベースのハードウェアプラットフォーム上で、実世界の量子アルゴリズム（例：QAOA）において有効であることを実証すること。

提案手法

• 時間遅延、周波数倍増、演算子の入れ替えを組み合わせた、既知の2体クロストークを抑制する同期的ダイナミカルデカップリング（SDD）のフレームワークを提唱する。
• ZZ型相互作用の抑制に最適なSDDシーケンスを特定するために、スーパーオペレータ表現に基づく離散最適化アプローチを用いる。
• 初期状態|++⟩を用いたラムゼイ干渉計測定により、観測量⟨Z⟩の揺らぎパターンを介してZZ結合を検出・定量する。
• 量子交雑オペレータアンザッツ（QAOA）回路におけるアイドルキュービットにSDDシーケンスを適用し、アイドル期間中のクロストークを抑制する。
• 固定周波数トランモンキュービットを搭載したRigetti Aspenチップ上で、周波数のずれと揺らぎ周波数を測定することで、実験的にこの手法を検証した。
• SDDとランダム化コンパイルを組み合わせることで、大規模量子回路における統合的誤り軽減効果を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期的ダイナミカルデカップリングは、超伝導量子プロセッサにおいて静的ZZクロストークを効果的に抑制できるか、かつ単一キュービットのコherenceを保持できるか？
• RQ2 SDDベースのラムゼイ測定は、標準的なキャリブレーション手法と比較して、ZZ結合強度をどの程度正確に特徴付けることができるか？
• RQ3 実際のハードウェアプラットフォーム上でのQAOA回路において、アイドルキュービットにSDDを適用することで得られる性能向上は何か？
• RQ4 SDDは、スーパーオペレータ表現に基づく離散最適化フレームワークを用いて体系的に設計可能か？
• RQ5 SDDとランダム化コンパイルを組み合わせることで、アルゴリズム的量子回路における誤り軽減がどのように向上するか？

主な発見

• SDDシーケンスは、キュービット101と102間のZZ結合を効果的に抑制し、測定された結合強度がg = 11.42 ± 0.17 MHzである場合に特徴的な揺らぎパターンを完全に消去した。
• SDDを用いたラムゼイ干渉計測定によるZZ結合の測定は、2キュービットゲートの物理的測定（12.42 MHz）と高い一貫性（11.42 MHz）を示し、この手法の正確性を裏付けた。
• QAOA回路のアイドルキュービットにSDDを適用した結果、補正なし実行と比較して回路忠実度が2.5倍向上した。
• この手法により、環境ノイズからのZZ結合効果を分離することで、裸のキュービット周波数の正確な測定が可能となり、標準的なハードウェア報告周波数とは異なるキャリブレーション手法を提供した。
• SDDシーケンスは、単一キュービットのデコherenceを抑制する能力を保持しており、キュービット102における白色ノイズ成分と1/fノイズ成分の測定値は、それぞれ3.1 kHzおよび27.7 kHzであった。
• SDDとランダム化コンパイルの組み合わせにより、両者を個別に用いる場合を上回るスケーラブルな統合的誤り軽減戦略が実現された。