[论文解读] Frequency Up-Conversion Schemes for Controlling Superconducting Qubits

Johannes Herrmann, Christoph Hellings+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2022

Optical Network Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出一种双频上变频方案，用于为超导量子比特生成高保真度微波脉冲，以两级级联混频和模拟滤波取代传统的IQ混频，从而抑制杂散分量。该方法实现的无杂散动态范围超过70 dB，并在减少温度敏感性的同时，实现了比标准IQ混频更优的单量子比特门保真度。

ABSTRACT

High-fidelity control of superconducting qubits requires the generation of microwave-frequency pulses precisely tailored on nanosecond timescales. These pulses are most commonly synthesized by up-converting and superimposing two narrow-band intermediate-frequency signals referred to as the in-phase (I) and quadrature (Q) components. While the calibration of their DC-offsets, relative amplitude and phase allows one to cancel unwanted sideband and carrier leakage, this IQ mixing approach suffers from the presence of additional spurious frequency components. Here, we experimentally study an alternative approach based on double frequency conversion, which overcomes this challenge and circumvents the need for IQ-calibration. We find a spurious-free dynamic range of more than 70$\,$dB and compare the quality of pulse generation against a state-of-the-art IQ mixing scheme by performing repeated single-qubit randomized benchmarking on a superconducting qubit.

研究动机与目标

• 为解决传统IQ混频在超导量子比特微波脉冲生成中的局限性，特别是杂散频率分量和复杂的校准需求。
• 开发一种替代的频率上变频方案，通过抑制不需要的边带和本振泄漏，而无需依赖相消干涉。
• 通过减少信号失真和环境敏感性（尤其是温度引起的漂移），提升单量子比特门保真度。
• 通过在真实超导量子比特上进行随机化基准测试，对比双变频方案与先进IQ混频的性能。

提出的方法

• 该方法采用两个连续的频率上变频级，每一级使用不同频率的本振（LO）将中频（IF）信号上变频。
• 在每个混频级后应用模拟带通滤波器，以抑制不需要的边带和本振泄漏，从而无需进行IQ幅度和相位校准。
• 两个级联的IF信号通过数模转换器（DAC）独立生成，确保对脉冲包络的精确控制。
• 最终输出为一个中心频率位于量子比特跃迁频率的高频微波脉冲，由于滤波和级联混频的作用，杂散成分极少。
• 实验验证采用高密度IQ转换器（HDIQ）和超高频信号发生器（SHFSG）。
• 通过在Transmon量子比特上重复进行随机化基准测试评估脉冲保真度，读出采用UHFQA采集器上的加权积分方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 双频上变频方案是否能比传统IQ混频更有效地抑制超导量子比特控制中的杂散分量？
• RQ2 消除IQ校准是否能提升在环境条件变化（如温度漂移）下的稳定性与性能？
• RQ3 与标准IQ混频相比，双变频方案的无杂散动态范围（SFDR）如何？
• RQ4 双变频方法是否能带来可测量的单量子比特门保真度提升？
• RQ5 在频谱纯净度和脉冲保真度方面，双变频方案的信号质量与IQ混频相比如何？

主要发现

• 双频上变频方案实现了超过70 dB的无杂散动态范围（SFDR），显著优于传统IQ混频在抑制不需要的频谱分量方面的表现。
• 该方法通过在每个混频级后使用模拟滤波器抑制边带和本振泄漏，从而消除了IQ校准的需求。
• 该方案对环境温度变化的敏感性降低，实现了更长时间的稳定脉冲生成。
• 单量子比特随机化基准测试显示，与IQ混频相比，双变频方案在门保真度上实现了微小但可测量的提升。
• 实验设置在上甜点工作点的Transmon量子比特上，实现了三态读出误差为2.8%，其中|g⟩态的赋值概率为99.7%，|e⟩态为95.8%，|f⟩态为96.0%。
• 结果证实，双变频方法可生成更清洁的微波脉冲，杂散辐射更少，从而实现更高保真度的量子控制。