[论文解读] Digital feedback in superconducting quantum circuits

Diego Ristè, L. DiCarlo|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 19被引用 8

一句话总结

本文首次在超导量子电路中实现了数字反馈控制，通过离散投影测量与条件操作，实现了保真度达66%的|Φ⁺⟩态的确定性量子比特重置与纠缠制备。基于测量结果施加π脉冲，成功将目标贝尔态制备的成功率提升至100%，保真度达66%， concurrence为34%。

ABSTRACT

This chapter covers the development of feedback control of superconducting qubits using projective measurement and a discrete set of conditional actions, here referred to as digital feedback. We begin with an overview of the applications of digital feedback in quantum computing. We then introduce an implementation of high-fidelity projective measurement of superconducting qubits. This development lays the ground for closed-loop control based on the binary measurement result. A first application of digital feedback control is fast and deterministic qubit reset, allowing the repeated initialization of a qubit more than an order of magnitude faster than its relaxation rate. A second application employs feedback in a multi-qubit setting to convert the generation of entanglement by parity measurement from probabilistic to deterministic, targeting an entangled state with the desired parity every time.

研究动机与目标

• 使用离散测量结果与条件操作，在超导量子比特中实现闭环反馈系统。
• 通过反馈克服量子测量的概率性，实现对期望量子态的确定性制备。
• 实现快速、确定性的量子比特初始化，以支持量子算法与量子纠错中的重复使用。
• 通过反馈将基于偶 parity 测量的 probabilistic 纠缠制备转化为确定性过程。
• 展示可扩展、可配置的反馈控制，适用于集成到更大规模量子信息处理架构中。

提出的方法

• 使用非简并读出技术对超导量子比特实现高保真度投影测量。
• 使用自研可编程控制器，基于二进制测量结果施加条件操作。
• 当偶 parity 测量结果为 M_P = +1 时，基于阈值电压 V_th 对一个量子比特施加 π 脉冲。
• 通过调节条件脉冲的相位 φ，补偿 |00⟩ 与 |11⟩ 之间存在的确定性 AC Stark 相位移。
• 通过选择 φ = (π - φ_e)/2 优化反馈，以最大化与目标奇偶性贝尔态 |Φ⁺⟩ 的重叠。
• 通过完整态层析技术验证生成态的保真度与纠缠特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在超导电路中实现数字反馈控制，以实现确定性量子比特初始化？
• RQ2 如何利用反馈将概率性偶 parity 测量转化为确定性纠缠生成？
• RQ3 何种最优反馈策略可补偿测量引起的相位移并最大化目标态保真度？
• RQ4 数字反馈是否可在不牺牲保真度的前提下提升纠缠生成的成功率？
• RQ5 与模拟或开环协议相比，数字反馈在速度、可靠性与可扩展性方面表现如何？

主要发现

• 数字反馈实现了超过弛豫速率10倍的成功率，实现快速可靠的确定性量子比特重置。
• 反馈控制的实现使目标贝尔态的生成成功率达100%，将原本概率性协议转变为确定性过程。
• 生成态与目标 |Φ⁺⟩ 贝尔态的保真度达66%，经完整态层析验证。
• 实现34%的 concurrence，表明尽管存在残余退相干与相位误差，仍存在显著纠缠。
• 最优反馈相位 φ = (π - φ_e)/2 最大化与目标态的重叠，补偿了0.73π的 AC Stark 相位移。
• 尽管保真度较低，确定性纠缠生成效率（ℰ = 0.41 ebits/run）优于基于后选择的概率性方案。