[论文解读] Demonstration of the Two-Fluxonium Cross-Resonance Gate

Ebru Doğan, Dario Rosenstock+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种在任意通量子比特上实现的快速全微波交叉共振（CR）CNOT门，该门完全在计算子空间内运行，并处于半通量量子的甜蜜点。该门在70 ns内实现了99.49(6)%的保真度，保持了相干性，且无需通量调谐或激发非计算态，标志着在超导量子处理器中实现高保真度、相干性优化的两比特操作方面迈出了关键一步。

ABSTRACT

The superconducting fluxonium qubit has a great potential for high-fidelity quantum gates with its long coherence times and strong anharmonicity at the half flux quantum sweet spot. However, current implementations of two-qubit gates compromise fluxonium's coherence properties by requiring either a temporary population of the non-computational states or tuning the magnetic flux off the sweet spot. Here we realize a fast all-microwave cross-resonance gate between two capacitively-coupled fluxoniums with the qubit dynamics well confined to the computational space. We demonstrate a direct CNOT gate in 70 ns with fidelity up to $\mathcal{F}=0.9949(6)$ despite the limitations of a sub-optimal measurement setup and device coherence. Our results project a possible pathway towards reducing the two-qubit error rate below $10^{-4}$ with present-day technologies.

研究动机与目标

• 开发一种通量子比特的两比特门，通过避免偏离半通量量子甜蜜点来保持高相干性。
• 仅使用微波驱动实现交叉共振门，消除对动态通量控制或可调耦合器的需求。
• 在严格限制于计算子空间的前提下，实现高保真度的两比特操作。
• 证明通量子比特的强非简谐性可实现快速、高保真度的门操作，且不损害相干性。
• 为利用现有技术实现两比特错误率低于10⁻⁴提供一条可行路径。

提出的方法

• 两个通量子比特通过电容耦合，并在半通量量子甜蜜点运行，以最大化相干性。
• 通过在目标比特的跃迁频率上驱动控制比特，诱导交叉共振相互作用，从而实现CNOT操作。
• 门通过最小化脉冲整形的微波脉冲实现，利用了通量子比特中较大的非简谐性和矩阵元层级结构。
• 该门在不激发非计算态或偏离甜蜜点频率的情况下运行。
• 脉冲上升时间缩短至2 ns，未导致保真度下降，表明对快速脉冲具有鲁棒性。
• 数值模拟用于建模门误差源，包括幺正误差和非幺正误差，以指导优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不偏离半通量量子甜蜜点的情况下，在通量子比特中实现高保真度的两比特门？
• RQ2 由于其强非简谐性和选择定则，交叉共振门机制是否能有效应用于通量子比特？
• RQ3 当门被限制在计算子空间并仅使用微波驱动时，可实现的门保真度和速度是多少？
• RQ4 相干时间以及弛豫和退相干等误差源如何限制此配置下的门性能？
• RQ5 在当前器件参数下，通过适度改进，是否可将门保真度提升至10⁻⁴错误率以下？

主要发现

• 在70 ns内实现了直接CNOT门，保真度为99.49(6)%，证明了在计算子空间内高性能运行。
• 保真度接近自由演化相干极限，表明在10⁻³量级下不存在隐藏的控制误差或退相干。
• 脉冲上升时间短至2 ns对保真度无显著影响，凸显对快速脉冲的鲁棒性。
• 数值模拟表明，若解决脉冲反射问题，40 ns的门速可能是最优的。
• 在相干时间提升后（例如T₂ > 200 μs），预计在50 ns门时间下可实现2×10⁻⁴的相干极限错误率。
• 该系统有望支持参数化受控单位操作，包括CYπ和任意单比特旋转，从而拓展量子算法的应用范围。