[논문 리뷰] Tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fluxonium qubits

Ilya N. Moskalenko, Ilya S. Besedin외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 24.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 30인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 고정 주파수 플럭소니움 큐비트에서 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 실현하기 위해, 반분율 양자에서 반응하는 플럭소니움 기반 커플러를 사용한 조절 가능한 커플링 기법을 제안한다. 이 기법은 커플러를 반분율 양자에 비bias하여 동적 플럭스 조절을 통해 iSWAP 유사 게이트를 실현하며, 기존 트랜스몬 하드웨어와 호환되는 평면형 온칩 아키텍처에서 높은 게이트 정밀도를 달성한다. 또한 더 낮은 큐비트 주파수로 제어 전자기기의 복잡성을 감소시키고 동역학적 코herence를 향상시킨다.

ABSTRACT

The superconducting fluxonium circuit is an RF-SQUID-type flux qubit that uses a large inductance built from an array of Josephson junctions or a high kinetic inductance material. This inductance suppresses charge sensitivity exponentially and flux sensitivity quadratically. In contrast to the transmon qubit, the anharmonicity of fluxonium can be large and positive, allowing for better separation between the low energy qubit manifold of the circuit and higher-lying excited states. Here, we propose a tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fixed-frequency fluxonium qubits, biased at half flux quantum. In this system, both qubits and coupler are coupled capacitively and implemented as fluxonium circuits with an additional harmonic mode. We investigate the performance of the scheme by simulating a universal two-qubit fSim gate. In the proposed approach, we rely on a planar on-chip architecture for the whole device. Our design is compatible with existing hardware for transmon-based devices, with the additional advantage of lower qubit frequency facilitating high-precision gating.

연구 동기 및 목표

• 고정 주파수 플럭소니움 큐비트에서 이중 큐비트 게이트를 위한 조절 가능한 커플링 기법을 개발한다.
• 기존 트랜스몬 하드웨어와 호환되는 평면형 온칩 아키텍처에서 고정밀도 이중 큐비트 연산을 가능하게 한다.
• 플럭소니움 큐비트의 긴 코herence 시간(T1 > 200 µs)을 활용하면서도 동적 플럭스 제어를 통해 게이트 정밀도를 유지한다.
• 1GHz 이하 주파수에서 작동시켜 제어 전자기기의 복잡성을 감소시킨다.
• 최적화된 커플링 및 조정 프로토콜을 통해 이중 큐비트 게이트의 누출 및 공진 오류를 최소화한다.

제안 방법

• 이 기법은 세 개의 플럭소니움 큐비트를 사용한다: 두 개의 계산 큐비트와 하나의 조절 가능한 커플러로, 모두 조절 가능한 조화 모드를 가진 수정된 플럭소니움 회로로 제작된다.
• 큐비트와 커플러는 용량 결합되어 있으며, 상호작용 강도는 커플러의 플럭스 비bias 조절로 제어된다.
• 시스템은 플럭스 비대칭점(Φx = Φ₀/2)에서 작동하며, 이는 모든 세 큐비트가 근접 공진 상태에 있어 강한 XX 유형 상호작용을 가능하게 한다.
• 공진 조건에서 커플러를 그의 플럭스 센터 지점(플럭스 스위트 스포트)을 통과시키는 방식으로 진공 라비 순환을 사용하여 iSWAP 유사 fSim 게이트를 실현한다.
• 해밀토니안은 정규 모드 좌표(ϑ+ 및 ϑ−)를 사용하여 모델링되며, 조화 모드(ϑ+)와 비선형 플럭소니움 모드(ϑ−)는 용량 및 인덕턴스의 비대칭성에 의해 결합된다.
• 실제 회로 설계에서 유도된 파rameter를 사용하여 수치 시뮬레이션을 통해 비가역성, 누출 및 공진 오류 하에서의 게이트 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 주파수 플럭소니움 큐비트에서 고정밀도 이중 큐비트 게이트를 실현할 수 있는 조절 가능한 커플링 기법을 설계할 수 있는가?
• RQ2 플럭소니움 기반 커플러의 동적 플럭스 조절이 평면형 아키텍처에서 iSWAP 유사 게이트 작동을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 제안된 fSim 게이트에서 지배적인 오류 원인(비가역성, 누출, 공진 오류)은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 이 제안된 기법은 기존 트랜스몬 기반 제어 하드웨어 및 인프라와 어느 정도 호환되는가?
• RQ5 조화 모드의 비대칭성과 비선형 초초전도성 인덕턴스는 큐비트의 코herence와 게이트 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 θ = π/4 및 조건부 위상 ϕ를 갖는 보편적인 fSim 게이트를 실현하며, 커플러의 동적 플럭스 조절을 통해 고정밀도를 달성한다.
• 게이트는 커플러를 상단에서 하단 플럭스 스위트 스포트로 이동했다가 다시 되돌리는 방식으로 실현되며, 이는 1/4 진공 라비 순환을 완료하는 방식이다.
• 용량 및 인덕턴스 비대칭성(5% 상대 비대칭)으로 인해 시스템은 χ = 23 MHz의 디스פרס브 이완을 보이며, 초초전도성 인덕턴스의 비선형성으로 인해 χ = 0.5 MHz의 기여를 한다.
• 저온에서 열적 위상 분리가 억제되어 10 mK에서 Tϕ > 1 s를 달성한다. 이는 낮은 조화 모드 감쇠율(κ = 0.01 MHz)과 높은 χ에 기인한다.
• 기존 트랜스몬 하드웨어와 호환되며, 1GHz 이하 주파수에서 제어가 가능하여 제어 전자기기의 비용과 복잡성을 감소시킨다.
• 이 기법은 낮은 크로스톡을 유지하며, 플럭스 비대칭점에서 파라사이트식 ZZ 크로스톡 ζon_zz < 1 MHz이며, 플럭스 비bias가 0일 때 효과적 결합 강도 gxx ≈ 200 MHz이다.