[论文解读] Dynamically Reconfigurable Photon Exchange in a Superconducting Quantum Processor

Brian Marinelli, Jie Luo+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 5

一句话总结

本文提出并演示了一种在超导量子处理器中通过磁通调谐的多模平面波导（CPW）总线谐振器实现动态可重构光子交换网络，该谐振器作为媒介，可在任意距离上实现光谱选择性、长程的光子交换。系统实现了高达0.9 MHz的光子交换速率（9.2 cm距离），支持可编程的量子比特连接性，无需固定耦合约束，从而实现芯片上任意的量子纠缠模式重构。

ABSTRACT

Realizing the advantages of quantum computation requires access to the full Hilbert space of states of many quantum bits (qubits). Thus, large-scale quantum computation faces the challenge of efficiently generating entanglement between many qubits. In systems with a limited number of direct connections between qubits, entanglement between non-nearest neighbor qubits is generated by a series of nearest neighbor gates, which exponentially suppresses the resulting fidelity. Here we propose and demonstrate a novel, on-chip photon exchange network. This photonic network is embedded in a superconducting quantum processor (QPU) to implement an arbitrarily reconfigurable qubit connectivity graph. We show long-range qubit-qubit interactions between qubits with a maximum spatial separation of $9.2~ ext{cm}$ along a meandered bus resonator and achieve photon exchange rates up to $g_{ ext{qq}} = 2π imes 0.9~ ext{MHz}$. These experimental demonstrations provide a foundation to realize highly connected, reconfigurable quantum photonic networks and opens a new path towards modular quantum computing.

研究动机与目标

• 为克服超导量子处理器中固定近邻量子比特连接性带来的可扩展性限制。
• 在NISQ时代量子计算中，实现高效量子纠缠生成的任意、动态可重构量子比特连接图。
• 通过单个可调谐多模总线谐振器，在芯片上实现光子网络，以介导远距离量子比特之间的参数化光子交换。
• 实现高保真度、光谱选择性的长程相干量子比特-量子比特相互作用，并具备可编程路由能力。
• 通过总线磁通偏置的频率复用微波控制，实验证明全连接（all-to-all connectivity）的可行性。

提出的方法

• 使用磁通调谐的多模CPW总线谐振器作为中心耦合元件，介导超导transmon量子比特之间的参数化光子交换。
• 总线谐振器支持多个共振模式，实现多频操作并实现对量子比特相互作用的光谱滤波。
• 通过对总线施加周期性调制的外部磁通偏置，利用时间依赖哈密顿量的傅里叶空间分析，诱导量子比特之间的参数耦合。
• 通过频率分配优化量子比特频率，以最大化能级失谐分离，最小化非期望串扰，并实现高达9 MHz的有效耦合速率。
• 通过谱仪量子比特对总线模式谱进行实验表征，提取电路参数，排除弱耦合或异常模式后进行拟合。
• 通过室温下的频率复用微波驱动控制总线，实现对光子路由和量子比特-量子比特交换动力学的编程控制，实现可编程连接性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个可调谐多模总线谐振器是否能够实现超导量子比特之间动态可重构的长程光子交换？
• RQ2 通过参数调制总线，非近邻量子比特之间的最大光子交换速率可达多少？
• RQ3 如何实现光谱选择性，以在无串扰的前提下实现任意的量子比特连接图？
• RQ4 在该架构下，量子比特-量子比特纠缠保真度在长距离（最高达9.2 cm）下能保持多大程度？
• RQ5 该架构是否能够通过外部控制实现多个量子比特之间可编程的定向光子路由？

主要发现

• 系统成功实现了沿蛇形总线谐振器相距最高达9.2 cm的量子比特之间的长程光子交换，验证了该架构的可扩展性。
• 实验测得最高达0.9 MHz（g_qq = 2π × 0.9 MHz）的光子交换速率，实现了快速、相干的相互作用。
• 量子比特对之间的最小频率失谐为35 MHz，支持5–9 MHz的有效耦合速率，且串扰极低。
• 对四个不同量子比特的参数化量子比特-总线耦合速率进行了测量，结果与理论预测高度一致，无需针对特定量子比特进行拟合。
• 光谱表征确认总线中存在九个不同的共振模式，其中模式n=1和n=8因兰姆位移和边界效应被排除在拟合之外。
• 在三个量子比特之间实现了可编程的定向光子路由，证实了通过磁通控制实现连接图动态可重构性。