[论文解读] An efficient and compact quantum switch for quantum circuits

Yulin Wu, Li‐Ping Yang+12 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出了一种紧凑高效的超导量子电路量子开关，利用纵向控制场动态关闭通量量子比特与共振腔之间的耦合，开关比超过100 dB。通过dc-SQUID环路施加快速z脉冲，有效耦合强度降低至100 Hz以下，实现在无频率失谐情况下的相干控制，从而克服频率拥挤问题，并在最优点保持量子比特相干性。

ABSTRACT

The engineering of quantum devices has reached the stage where we now have small scale quantum processors containing multiple interacting qubits within them. Simple quantum circuits have been demonstrated and scaling up to larger numbers is underway. However as the number of qubits in these processors increases, it becomes challenging to implement switchable or tunable coherent coupling among them. The typical approach has been to detune each qubit from others or the quantum bus it connected to, but as the number of qubits increases this becomes problematic to achieve in practice due to frequency crowding issues. Here, we demonstrate that by applying a fast longitudinal control field to the target qubit, we can turn off its couplings to other qubits or buses (in principle on/off ratio higher than 100 dB). This has important implementations in superconducting circuits as it means we can keep the qubits at their optimal points, where the coherence properties are greatest, during coupling/decoupling processing. Our approach suggests a new way to control coupling among qubits and data buses that can be naturally scaled up to large quantum processors without the need for auxiliary circuits and yet be free of the frequency crowding problems.

研究动机与目标

• 为解决超导量子处理器中因量子比特耦合导致的频率拥挤问题带来的可扩展性挑战。
• 开发一种在不使量子比特偏离其最优相干点的情况下，动态切换量子比特-共振腔耦合的方法。
• 消除对辅助耦合器或频率调谐的需求，降低电路复杂度和退相干源。
• 实现高保真度、原位的相干耦合控制，以支持可扩展的量子信息处理。

提出的方法

• 采用三结通量量子比特，并用dc-SQUID替代最小结，实现通过磁通偏置线的纵向控制。
• 通过α偏置线施加纵向控制脉冲（z脉冲），调制量子比特与共振腔之间的有效耦合强度。
• 当控制场振幅达到λ_zoff ≈ 180 MHz时，耦合被关闭，有效耦合强度g_eff降低至100 Hz以下。
• 系统制备在激发态，移至耦合最优点，通过真空拉比振荡和态读出监测相干动力学。
• 开关过程不改变量子比特的频率，避免非绝热泄漏，保持相干性。
• 理论模拟证实，在关断点处的开关比R < 10⁻⁵，表明近乎完全解耦。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不使量子比特偏离其最优工作点的情况下，动态关闭量子比特-共振腔耦合？
• RQ2 纵向控制场是否能在不引入额外退相干源的前提下实现高开关比的耦合强度调制？
• RQ3 是否可以使用控制脉冲在原位暂停并恢复量子比特-共振腔的相干动力学？
• RQ4 在耦合关闭期间，该开关是否能保持相干性，特别是在将量子态存储在共振腔中时？

主要发现

• 当纵向控制场达到λ_zoff ≈ 180 MHz时，量子比特与共振腔之间的耦合被关闭，反交叉间隙Δ_g变得不可检测。
• 在关断点处，真空拉比振荡停止，证实了有效解耦，理论g_eff/2π < 100 Hz。
• 开关比超过100 dB，对应R < 10⁻⁵，表明高保真度开关。
• 在关断脉冲期间，相干振荡被暂停，之后无论初始态为何（包括纠缠态）均能恢复。
• 量子比特态可被交换至共振腔中并存储长达1.5 μs——是量子比特弛豫时间的三倍——之后相干耦合得以恢复。
• 该方法具有可扩展性，适用于任何具备纵向控制能力的量子比特系统，且无需额外电路。