[论文解读] Experimental realization of nonadiabatic geometric gates with a superconducting Xmon qubit

P. Z. Zhao, Zhangjingzi Dong+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文通过利用两个最低能级上的非绝热阿贝尔几何相位，实验演示了基于超导Xmon量子比特的非绝热几何单量子比特量子门，避免了第二激发态的退相干问题。该实现达到了99.6%的平均门保真度（通过量子过程层析成像测量）和99.7%的平均门保真度（通过随机基准测试），展示了在可扩展超导平台上实现高保真、抗噪声的量子操作。

ABSTRACT

Geometric phases are only dependent on evolution paths but independent of evolution details so that they own some intrinsic noise-resilience features. Based on different geometric phases, various quantum gates have been proposed, such as nonadiabatic geometric gates based on nonadiabatic Abelian geometric phases and nonadiabatic holonomic gates based on nonadiabatic non-Abelian geometric phases. Up to now, nonadiabatic holonomic one-qubit gates have been experimentally demonstrated with the supercondunting transmon, where three lowest levels with cascaded configuration are all applied in the operation. However, the second excited states of transmons have relatively short coherence time, which results in a lessened fidelity of quantum gates. Here, we experimentally realize Abelian-geometric-phase-based nonadiabatic geometric one-qubit gates with a superconducting Xmon qubit. The realization is performed on two lowest levels of an Xmon qubit and thus avoids the influence from the short coherence time of the second excited state. The experimental result indicates that the average fidelities of single-qubit gates can be up to 99.6% and 99.7% characterized by quantum process tomography and randomized benchmarking, respectively.

研究动机与目标

• 在超导Xmon量子比特上实现高保真度的非绝热几何量子门，提升抗噪声能力。
• 通过仅在两个最低能级上操作，克服因Transmon量子比特第二激发态相干时间短而导致的保真度下降问题。
• 证明非绝热阿贝尔几何相位可实现高保真度且对控制误差具有鲁棒性的通用单量子比特门。
• 通过量子过程层析成像和随机基准测试两种方法全面表征门保真度。

提出的方法

• 该协议通过时间依赖哈密顿量下两能级量子系统的循环演化产生非绝热阿贝尔几何相位。
• 采用Bloch球面上的切片形演化路径，通过单圈循环实现任意单量子比特几何门，简化控制并减少误差源。
• 应用量子过程层析成像重建过程矩阵并计算门保真度，通过校正读出误差确保精度。
• 采用基于Clifford群的随机基准测试提取平均门错误率与保真度，通过参考与互插协议区分整体性能与特定门性能。
• Xmon量子比特仅在两个最低能级（|0⟩ 和 |1⟩）上运行，完全避免第二激发态以减轻退相干。
• 实验装置使用微波脉冲驱动量子比特沿Bloch球面上的几何路径运动，诱导出与动力相位无关的几何相位。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅在两个最低能级上，通过阿贝尔几何相位在超导Xmon量子比特上实现高保真度的非绝热几何门？
• RQ2 与三能级Transmon实现相比，避免第二激发态后，非绝热几何门的保真度有何变化？
• RQ3 在真实超导硬件平台上，标准基准测试协议（如量子过程层析成像和随机基准测试）下，几何门的性能如何？
• RQ4 在实际控制非理想条件下，几何相位在超导量子比特系统中在多大程度上提供内在的抗噪声能力？
• RQ5 切片形演化路径是否能通过单个控制回路实现通用单量子比特几何门，从而简化门实现？

主要发现

• 通过量子过程层析成像测量，非绝热几何门的平均过程保真度达到99.6%，经态制备与测量误差校正后得出。
• 随机基准测试结果显示平均门保真度为99.7%，对应去极化参数p = 0.994，平均错误率为0.3%。
• 该实现完全避免了量子比特的第二激发态，从而消除了三能级Transmon基几何门中限制保真度的主要退相干源。
• 保真度结果表明，几何相位对控制误差具有内在鲁棒性，这在标准基准测试协议下表现优异。
• 采用单回路、切片形演化路径可高效实现任意单量子比特几何门，降低控制复杂度与潜在误差源。
• 结果证实了在可扩展超导量子比特平台上，非绝热阿贝尔几何门的可行性与高性能，且可拓展至其他量子系统（如离子阱与NV色心）。