[论文解读] Extensible circuit-QED architecture via amplitude- and frequency-variable microwaves

Agustín Di Paolo, Catherine Leroux+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2022

Optical Network Technologies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种可扩展的超导电路-cQED架构，采用固定频率的 transmon 量子比特和微波驱动的可调耦合器，以实现高保真度的两量子比特门。通过调制驱动幅度和频率，该方法实现了选择性、快速（50–120 ns）的受控相位门，预测平均保真度超过99.9%，同时通过混合微扰理论与Floquet理论框架，抑制了不必要的相互作用，实现了鲁棒的脉冲整形和频率分配。

ABSTRACT

We introduce a circuit-QED architecture combining fixed-frequency qubits and microwave-driven couplers. In the appropriate frame, the drive parameters appear as tunable knobs enabling selective two-qubit coupling and coherent-error suppression. We moreover introduce a set of controlled-phase gates based on drive-amplitude and drive-frequency modulation. We develop a theoretical framework based on Floquet theory to model microwave-activated interactions with time-dependent drive parameters, which we also use for pulse shaping. We perform numerical simulations of the gate fidelity for realistic circuit parameters, and discuss the impact of drive-induced decoherence. We estimate average gate fidelities beyond $99.9\%$ for all-microwave controlled-phase operations with gate times in the range $50-120\,\mathrm{ns}$. These two-qubit gates can operate over a large drive-frequency bandwidth and in a broad range of circuit parameters, thereby improving extensibility. We address the frequency allocation problem for this architecture using perturbation theory, demonstrating that qubit, coupler and drive frequencies can be chosen such that undesired static and driven interactions remain bounded in a multi-qubit device. Our numerical methods are useful for describing the time-evolution of driven systems in the adiabatic limit, and are applicable to a wide variety of circuit-QED setups.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、可扩展的电路-cQED架构，在保持量子比特相干性的同时实现高保真度的两量子比特门。
• 通过使用具有可调幅度和频率的微波驱动耦合器，解决多量子比特超导器件中的频率拥挤和串扰问题。
• 通过优化频率分配和驱动参数调度，抑制对旁观量子比特的静态和驱动ZZ相互作用。
• 通过时变驱动参数实现快速、高保真度的受控相位门，而无需使用可调量子比特或复杂的磁通控制。
• 开发一种结合微扰理论与Floquet理论的理论框架，用于建模电路cQED中时变驱动相互作用。

提出的方法

• 提出一种采用固定频率transmon量子比特和微波驱动耦合模式的两量子比特架构，其中驱动参数作为耦合的可调旋钮。
• 采用混合理论方法：在弱驱动区域使用微扰理论，在非微扰、时变驱动参数区域使用改进的Floquet理论。
• 基于Floquet准能谱开发了一种脉冲整形策略，以最小化非绝热跃迁和泄漏。
• 采用两步优化框架：首先最小化静态ZZ相互作用和失谐耦合比率，然后在限制非期望驱动相互作用的前提下最大化门速率。
• 应用扩展空间哈密顿量形式化方法来建模多个微波驱动，将驱动相位视为具有共轭动量的动力学变量。
• 推导出一个时变有效哈密顿量，通过有效角速度矢量 $\bm{\omega}_{\mathrm{eff}}(t) = \dot{\bm{\theta}}(t)$ 将驱动频率纳入其中。

实验结果

研究问题

• RQ1 微波驱动耦合器是否能在不使用可调量子比特的情况下，在固定频率超导量子比特架构中实现高保真度的两量子比特门？
• RQ2 如何利用驱动幅度和频率调制选择性地增强期望的ZZ相互作用，同时抑制不必要的耦合？
• RQ3 在保持绝热性的同时，Floquet理论在多大程度上可被适应以建模驱动参数的缓慢变化？
• RQ4 哪些频率分配策略能最小化多量子比特晶格中静态和驱动ZZ相互作用？
• RQ5 微扰理论与非微扰Floquet方法的结合是否能准确预测在实际电路参数下的门保真度？

主要发现

• 所提出的架构在50至120 ns的门时间范围内，即使包含耗散，也能实现超过99.9%的平均两量子比特门保真度。
• 对驱动引起的退相干进行了定量分析，该框架对实际电路参数和无序表现出鲁棒性。
• 该方法可在宽广的驱动频率带宽内运行，显著提升了可扩展性并增强了对频率拥挤的鲁棒性。
• 微扰理论与基于Floquet的模拟结果表现出极佳的定量一致性，验证了自能和ZZ相互作用速率的图解与解析方法。
• 优化后的频率布局使静态ZZ相互作用保持在20 kHz以下，失谐耦合比率低于0.05，确保了最小的非期望相互作用。
• 两步优化过程成功识别出在最大化期望两量子比特门速率的同时，旁观量子比特相互作用保持受控的运行点。