[论文解读] High-contrast ZZ interaction using multi-type superconducting qubits

Peng Zhao, Peng Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种可扩展的超导量子架构，利用具有相反符号非谐性的量子比特实现高对比度的ZZ相互作用。通过实现ZZ耦合的强开/关控制，抑制了残余的ZZ串扰，并实现了高保真度的两量子比特门（如CZ和iSWAP），显著降低了门保真度误差，在多量子比特系统中表现出更优性能。

ABSTRACT

For building a scalable quantum processor with superconducting qubits, the ZZ interaction is of great concert because of relevant for implementing two-qubit gates, and the close contact between gate infidelity and its residual. Two-qubit gates with fidelity beyond fault-tolerant thresholds have been demonstrated using the ZZ interaction. However, as the performance of quantum processor improves, the residual static-ZZ can also become a performance-limiting factor for quantum gate operations and quantum error correction. Here, we introduce a scalable superconducting architecture for addressing this challenge. We demonstrate that by coupling two superconducting qubits with opposite-sign anharmonicities together, high-contrast ZZ interaction can be realized in this architecture. Thus, we can control ZZ interaction with high on/off ratio for implementing two-qubit CZ gate, or suppress it during the two-qubit gate operations using XY interaction (e.g. iSWAP). Meanwhile, the ZZ crosstalk related to neighboring spectator qubits can also be heavily suppressed in fixed coupled multi-qubit systems. This architecture could provide a promising way towards scalable superconducting quantum processor with high gate fidelity and low qubit crosstalk.

研究动机与目标

• 解决残余静态ZZ相互作用对高性能超导量子处理器门保真度和纠错能力的限制问题。
• 克服固定耦合多量子比特系统中邻近旁观量子比特引起的ZZ串扰对性能的制约。
• 开发一种可扩展架构，实现在两量子比特门操作期间对ZZ相互作用的精确控制——即强开启或有效关闭。
• 通过利用XY相互作用同时抑制有害的ZZ耦合，实现高保真度两量子比特门（如CZ和iSWAP）。

提出的方法

• 通过耦合具有相反符号非谐性的两个超导量子比特，生成高对比度的ZZ相互作用。
• 利用工程化设计的非谐性对比，动态控制ZZ耦合的强度和符号。
• 利用XY相互作用（如iSWAP）实现两量子比特门，同时通过ZZ耦合的高开/关比主动抑制残余ZZ相互作用。
• 设计一种固定耦合的多量子比特架构，由于高对比度相互作用机制，邻近量子比特引起的ZZ串扰显著降低。
• 利用ZZ相互作用的可调谐性，将门操作与不必要的ZZ诱导保真度损失解耦。
• 通过在固定耦合布局中保持对多个量子比特对ZZ相互作用的一致控制，确保可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在使用具有相反非谐性的量子比特的可扩展超导架构中实现高对比度ZZ相互作用？
• RQ2 在基于XY的门（如iSWAP）中，残余ZZ相互作用能在多大程度上被抑制？
• RQ3 该架构在固定耦合多量子比特系统中抑制邻近旁观量子比特引起的ZZ串扰方面效果如何？
• RQ4 ZZ耦合的高开/关比是否能将两量子比特门保真度提升至容错阈值以上？
• RQ5 该架构能否支持低量子比特串扰和高门保真度的可扩展量子处理？

主要发现

• 通过耦合具有相反符号非谐性的超导量子比特，成功实现了高对比度ZZ相互作用。
• ZZ相互作用可实现高开/关比控制，从而在两量子比特门操作期间实现有效抑制。
• 残余静态ZZ相互作用显著降低，减轻了其作为高保真度门操作性能限制因素的影响。
• 由于工程化设计的相互作用对比，固定耦合多量子比特系统中邻近旁观量子比特引起的ZZ串扰被大幅抑制。
• 该架构通过将门操作与不必要的ZZ耦合解耦，支持高保真度两量子比特门（如CZ和iSWAP）。
• 所提出的方案为实现低门保真度误差和最小量子比特串扰的容错超导量子处理器提供了可扩展路径。