[论文解读] Characterization of multi-level dynamics and decoherence in a high-anharmonicity capacitively shunted flux circuit

Muhammet Ali Yurtalan, Jiahao Shi+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 64被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种具有大并联电容的三约瑟夫森结磁通量子比特，实现了高非简谐性（2π × 3.69 GHz）、长能量弛豫时间（40 µs）和自旋回波退相干时间（9.4 µs）。该器件可实现纳秒量级的单量子比特门操作，保真度达99.92%，展示了在快速、高保真双量子比特操作及利用三重态态的多能级量子逻辑方面的潜力。

ABSTRACT

We present the design and characterization of a three-Josephson-junction superconducting loop circuit with three large shunt capacitors. Used as a qubit, the circuit shows long energy-relaxation times, of the order of 40 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$s and a spin-echo dephasing time of 9.4 ${ \unicode[Times]{x3BC}}$s. The circuit has high anharmonicity, of 2$\pi$$ imes$3.69 GHz. We extract the multilevel relaxation and dephasing rates of the circuit used as a qutrit and discuss the possible sources for the decoherence. The high anharmonicity allows for fast qubit control with nanosecond-range gate durations and a measured average gate fidelity of 99.92%, characterized by randomized benchmarking. These results demonstrate interesting potential use for fast nanosecond-time-scale two-qubit gates and multilevel quantum logic.

研究动机与目标

• 开发一种超导磁通量子比特，同时具备长相干时间和高非简谐性，以实现快速、高保真度的量子门操作。
• 表征电容并联的三结磁通电路作为三重态时的多能级动力学与退相干特性。
• 展示适用于可扩展量子计算的纳秒量级高保真度门操作。
• 识别并分析高非简谐性磁通量子比特中的主要退相干机制。
• 探索利用工程化三重态态实现快速双量子比特门和多能级量子逻辑的可行性。

提出的方法

• 设计一种具有三个大平面并联电容的三约瑟夫森结超导环路，以降低电荷噪声和磁通噪声。
• 使用有限元电磁仿真确定电容矩阵值，以实现精确的电路建模。
• 通过与量子比特耦合的共面波导（CPW）谐振器实现非简谐读出。
• 采用随机化基准测试测量单量子比特门的平均保真度。
• 应用CPMG和Ramsey实验提取多能级弛豫与退相干速率。
• 利用约瑟夫森结上的相位差和束缚电荷的栅压，基于动能与势能项对电路哈密顿量进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在用作三重态的高非简谐性电容并联磁通量子比特中，多能级弛豫与退相干速率是多少？
• RQ2 在该设计中，能量弛豫时间（T1）和自旋回波退相干时间（T2*）如何随非简谐性和噪声源变化？
• RQ3 该系统中单量子比特门操作的可实现速度与保真度如何？
• RQ4 该高非简谐性磁通量子比特架构中的主要退相干机制是什么？
• RQ5 该设计能否支持快速、高保真度的双量子比特门操作和多能级量子逻辑？

主要发现

• 该量子比特表现出40 µs的能量弛豫时间（T1）和9.4 µs的自旋回波退相干时间（T2*），表明具有长相干性。
• 该器件实现了2π × 3.69 GHz的高非简谐性，使得单量子比特门操作速度很快，π/2脉冲的门时间为1.62 ns，π脉冲的门时间为2.64 ns。
• 随机化基准测试得到的平均门保真度为99.92%，表明门质量很高。
• 多能级动力学得到表征，当用作三重态时，0–1和1–2跃迁的弛豫与退相干速率均可测量。
• 大的非简谐性抑制了非期望跃迁，实现了对各能级的独立控制。
• 通过CPMG实验进行的噪声谱分析表明，1/|ω|δ型噪声是退相干的重要来源，尤其在低频段更为显著。