[论文解读] Fast Flux-Activated Leakage Reduction for Superconducting Quantum Circuits

Nathan Lacroix, Luca Hofele+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2023

Quantum Computing Algorithms and ArchitectureComputer Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种快速、资源高效且通用的泄漏抑制单元（LRU），用于超导量子比特，通过参数化磁通调制将第一激发泄漏态与读出谐振器耦合。该LRU在50纳秒内将泄漏抑制至$7\cdot 10^{-4}$，保真度为$2.5(1)\cdot 10^{-3}$——与单量子比特门相当——无需额外硬件或控制电子设备，即可实现可扩展的容错量子计算。

ABSTRACT

Quantum computers will require quantum error correction to reach the low error rates necessary for solving problems that surpass the capabilities of conventional computers. One of the dominant errors limiting the performance of quantum error correction codes across multiple technology platforms is leakage out of the computational subspace arising from the multi-level structure of qubit implementations. Here, we present a resource-efficient universal leakage reduction unit for superconducting qubits using parametric flux modulation. This operation removes leakage down to our measurement accuracy of $7\cdot 10^{-4}$ in approximately $50\, \mathrm{ns}$ with a low error of $2.5(1)\cdot 10^{-3}$ on the computational subspace, thereby reaching durations and fidelities comparable to those of single-qubit gates. We demonstrate that using the leakage reduction unit in repeated weight-two stabilizer measurements reduces the total number of detected errors in a scalable fashion to close to what can be achieved using leakage-rejection methods which do not scale. Our approach does neither require additional control electronics nor on-chip components and is applicable to both auxiliary and data qubits. These benefits make our method particularly attractive for mitigating leakage in large-scale quantum error correction circuits, a crucial requirement for the practical implementation of fault-tolerant quantum computation.

研究动机与目标

• 为解决超导量子比特中的泄漏错误，这是量子误差纠正（QEC）中主要的错误来源，且违反了两能级假设。
• 开发一种通用、快速且资源高效的LRU，适用于数据与辅助量子比特，且无需额外的片上组件或控制电子设备。
• 实现与标准单量子比特门相当的泄漏抑制速度与保真度，从而可集成于大规模QEC电路中。
• 缓解由读出音调引起的依赖于状态的泄漏，该现象限制了稳定算符测量中的残余泄漏。
• 在重复稳定算符测量中展示泄漏抑制的可扩展性，且不牺牲性能。

提出的方法

• LRU利用一阶参数化磁通调制，实现量子比特第一泄漏态$|f\rangle$与其读出谐振器之间的直接耦合。
• 该耦合通过一个与馈线强耦合并作为耗散环境的Purcell滤波谐振器实现，从而实现泄漏布居的快速衰减。
• 该方法通过一阶跃迁实现，支持亚50纳秒的操作时间，与单量子比特门的持续时间相当。
• 该方案对频率配置具有鲁棒性，包括读出谐振器频率高于量子比特频率的情况，这是常见的架构选择。
• LRU可普遍应用于数据与辅助量子比特，支持在纠错循环中重复使用。
• 该方法避免了对辅助量子比特重置或复杂 teleportation 电路的需求，从而降低了开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用现有控制硬件且无需额外片上组件，在超导量子比特中实现快速、通用的LRU？
• RQ2 参数化磁通调制能否实现与单量子比特门相当的保真度与持续时间的泄漏抑制？
• RQ3 LRU在重复稳定算符测量中的表现如何？能否实现总错误计数接近最优水平的可扩展性？
• RQ4 稳定算符测量中残余泄漏的来源是什么？是否可归因于依赖于状态的读出诱导跃迁？
• RQ5 在读出谐振器频率高于量子比特频率的配置中，LRU能否有效抑制泄漏？这是常见的设计选择。

主要发现

• LRU在约50纳秒内将泄漏布居抑制至$7\cdot 10^{-4}$，达到测量灵敏度极限。
• LRU在计算子空间上的操作保真度为$2.5(1)\cdot 10^{-3}$，与单量子比特门的保真度相当。
• 该方法通过一阶参数化磁通调制实现快速操作，支持高速泄漏抑制。
• LRU具有通用性，对数据与辅助量子比特均有效，支持在纠错循环中重复使用。
• 稳定算符测量中的残余泄漏主要源于由读出音调驱动的依赖于状态的两量子比特跃迁，而非LRU本身。
• 残余泄漏的主要来源被识别为从$|ge\rangle$到$|fg\rangle$的读出诱导跃迁，可通过调整器件设计频率避免。