[论文解读] Demonstration of a High-Fidelity CNOT for Fixed-Frequency Transmons with Engineered ZZ Suppression

Abhinav Kandala, Ken Xuan Wei+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 34被引用 7

一句话总结

本文提出一种使用双路径耦合器的固定频率任意子架构——结合直接电容耦合器和一个$\lambda/4$谐振器——以实现静态$ZZ$相互作用的内在抑制，同时保持较高的有效耦合速率（$J_{\text{eff}} = 3.5$ MHz）。通过将$J$与$ZZ$解耦，该方法实现了180 ns的单脉冲CNOT门，保真度达99.77(2)%，相比以往的交叉共振CNOT门提升超过2倍，且量子比特相干性未见退化（$T_1, T_2 > 100~\mu\text{s}$）。

ABSTRACT

Improving two-qubit gate performance and suppressing crosstalk are major, but often competing, challenges to achieving scalable quantum computation. In particular, increasing the coupling to realize faster gates has been intrinsically linked to enhanced crosstalk due to unwanted two-qubit terms in the Hamiltonian. Here, we demonstrate a novel coupling architecture for transmon qubits that circumvents the standard relationship between desired and undesired interaction rates. Using two fixed frequency coupling elements to tune the dressed level spacings, we demonstrate an intrinsic suppression of the static $ZZ$, while maintaining large effective coupling rates. Our architecture reveals no observable degradation of qubit coherence ($T_1,T_2 > 100~μs$) and, over a factor of 6 improvement in the ratio of desired to undesired coupling. Using the cross-resonance interaction we demonstrate a 180~ns single-pulse CNOT gate, and measure a CNOT fidelity of 99.77(2)$\%$ from interleaved randomized benchmarking.

研究动机与目标

• 为克服超导量子比特中快速两量子比特门与静态$ZZ$串扰之间的根本性权衡。
• 开发一种固定频率、非可调谐的耦合架构，通过内在方式抑制$ZZ$，同时不增加控制复杂度或降低相干性。
• 通过将有效耦合$J_{\text{eff}}$与$ZZ$相互作用解耦，实现高保真度、并行的两量子比特操作。
• 在具备工程化$ZZ$抑制的系统中，通过交叉共振驱动演示高保真度单脉冲CNOT门。

提出的方法

• 该架构采用两种固定频率耦合元件：直接电容耦合器和$\lambda/4$谐振器，构成多路径耦合网络。
• 哈密顿量建模包括量子比特频率（$\omega_i$）、非谐性（$\alpha_i$）以及通过谐振模态的耦合强度（$J_0$，$g_{i,j}$）。
• 通过二级微扰理论推导，利用多条耦合路径的相消干涉实现$ZZ$相互作用抑制：$ZZ \propto J^2(\alpha_0 + \alpha_1)/[(\Delta + \alpha_0)(\Delta - \alpha_1)]$，反号非谐性可增强抑制效果。
• 通过调节量子比特-量子比特频差$\Delta$，实现对有效耦合$J_{\text{eff}}$的调控，从而在最小化$ZZ$的同时获得高$J_{\text{eff}}$。
• 通过在控制量子比特上施加同时的交叉共振（CR）驱动，以及在目标量子比特上施加共振驱动，实现直接CNOT门；通过误差放大序列进行相位与幅度校准。
• 在末尾应用框架变换以抵消斯塔克位移引起的相位，从而获得与理想CNOT门等价的酉操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不依赖可调谐耦合器或增加控制复杂度的前提下，固定频率超导量子比特架构能否实现静态$ZZ$相互作用的抑制？
• RQ2 在多路径耦合架构中，有效耦合$J_{\text{eff}}$在多大程度上可独立于$ZZ$相互作用进行提升？
• RQ3 当$ZZ$被内在抑制且保持高$T_1$和$T_2$时，CNOT门的最大可实现保真度是多少？
• RQ4 工程化$ZZ$抑制如何实现多量子比特电路中高保真度并行单量子比特操作？
• RQ5 在非可调谐、固定频率设计中，单脉冲CNOT门能否实现低于0.3%的误差率，同时保持相干性？

主要发现

• 器件实现了180 ns的单脉冲CNOT门，保真度达99.77(2)%，通过交错随机化基准测试测量得出。
• 两量子比特门错误率（EPG）测量值为$2.3 \times 10^{-3}$，标准随机化基准测试的上限为$3.0 \times 10^{-3}$。
• 尽管有效耦合速率高达3.5 MHz，静态$ZZ$相互作用被抑制至仅26 kHz，使$J_{\text{eff}}/ZZ$比值相比单路径设计提升了6倍。
• 量子比特相干性得以保持，$T_1 > 100~\mu\text{s}$且$T_2 > 100~\mu\text{s}$，表明新耦合架构未造成可观测的退化。
• 并行单量子比特门的错误率分别为Q0的$3.5(1) \times 10^{-4}$和Q1的$2.7(1) \times 10^{-4}$，表明对串扰具有强鲁棒性。
• 泄漏对门错误的贡献小于$10^{-4}$，纯度基准测试确认主要误差来源为相干门保真度不足。