[论文解读] Demonstrating a long-coherence dual-rail erasure qubit using tunable transmons

Harry Levine, Arbel Haim+111 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 56被引用 8

一句话总结

论文展示了一个由两颗共振耦合的跨导晶体管构成的超导双轨量子比特，它将 T1 错误转化为可检测的擦除错误，在双轨子空间内实现毫秒级相干性并具备高擦除检测保真度。

ABSTRACT

Quantum error correction with erasure qubits promises significant advantages over standard error correction due to favorable thresholds for erasure errors. To realize this advantage in practice requires a qubit for which nearly all errors are such erasure errors, and the ability to check for erasure errors without dephasing the qubit. We demonstrate that a "dual-rail qubit" consisting of a pair of resonantly coupled transmons can form a highly coherent erasure qubit, where transmon $T_1$ errors are converted into erasure errors and residual dephasing is strongly suppressed, leading to millisecond-scale coherence within the qubit subspace. We show that single-qubit gates are limited primarily by erasure errors, with erasure probability $p_ ext{erasure} = 2.19(2) imes 10^{-3}$ per gate while the residual errors are $\sim 40$ times lower. We further demonstrate mid-circuit detection of erasure errors while introducing $< 0.1\%$ dephasing error per check. Finally, we show that the suppression of transmon noise allows this dual-rail qubit to preserve high coherence over a broad tunable operating range, offering an improved capacity to avoid frequency collisions. This work establishes transmon-based dual-rail qubits as an attractive building block for hardware-efficient quantum error correction.

研究动机与目标

• 将擦除量子比特作为放宽错误纠正阈值的途径进行动机说明。
• 表明双轨量子比特将跨导晶体管的 T1 衰减转化为可检测的擦除错误。
• 在擦除错误占主导的情况下，展示双轨子空间的毫秒级相干性。
• 展示具有低去相干的中 circuit 擦除检测。
• 展示在广泛可调范围内双轨操作的鲁棒性。

提出的方法

• 使用两颗共振耦合的跨导晶体管将双轨量子比特编码在对称态和反对称态 |0L> 与 |1L>，它们源自 |01> 和 |10>。
• 在共振时以耦合强度 g 耦合 Q1 和 Q2，得到能隙 ED_R ≈ sqrt((2g)^2 + δ^2)。
• 通过对 Q2 进行频率为 2g/2π = 180 MHz 的磁通调制来执行单量子比特门。
• 通过自适应分离晶体管使 |0L>,|1L> 映射到 |01>,|10> 并共同读取来进行初始化和读出。
• 使用一个辅助量子比特 Q3 的分散位移来实现中电路擦除检查，其分散移位取决于双轨是在 |00> 还是在逻辑子空间。
• 用最终读出和中电路擦除检查对相干性测量进行后选，以隔离子空间动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个双轨量子比特是否能够将跨导晶体管的 T1 错误转化为具有大擦除偏置的错误？
• RQ2 当擦除错误主导于残余子空间错误时，双轨子空间的相干性属性是什么？
• RQ3 是否能够以低去相干和高保真度执行中电路擦除检测？
• RQ4 双轨量子比特是否对偏离甜点的广泛工作点具有鲁棒性？
• RQ5 在带有擦除检查的随机基线下，门保真度和擦除/错误率是多少？

主要发现

• 每次门操作的擦除错误概率为 p_erasure = 2.19(2) × 10^-3，对应 X90 门。
• 残余（非擦除）错误率对 X90 门为 5.06(6) × 10^-5，擦除噪声偏置为 43(1)。
• 中电路擦除检查在每次检查时实现 <0.1% 的去相干错误，同时检测擦除。
• 双轨 T1 外推至 906(15) μs，在双轨子空间的 T2(CPM G) 根据 N (CPMG) 达到 0.543–1.25 ms。
• 擦除寿命 Teras ~ 30 μs，使驻留错误的擦除噪声偏置 T2/Teras ≳ 20。
• 在约 350 MHz 的工作点范围内，双轨相干性仍保持数百微秒，除在 4.96 GHz 处由 TLS 引起的下降外。