[论文解读] High-fidelity iToffoli gate for fixed-frequency superconducting qubits

Yosep Kim, Alexis Morvan+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 11被引用 4

一句话总结

该论文通过在三量子比特线性链上同时施加微波脉冲，利用交叉共振效应，在固定频率超导量子比特中实现了保真度高达98.26(2)%的高保真度iToffoli门。该门支持通用量子计算，并通过两量子比特相互作用为高效多量子比特门合成提供了路径。

ABSTRACT

The development of noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices has extended the scope of executable quantum circuits with high-fidelity single- and two-qubit gates. Equipping NISQ devices with three-qubit gates will enable the realization of more complex quantum algorithms and efficient quantum error correction protocols with reduced circuit depth. Several three-qubit gates have been implemented for superconducting qubits, but their use in gate synthesis has been limited due to their low fidelity. Here, using fixed-frequency superconducting qubits, we demonstrate a high-fidelity iToffoli gate based on two-qubit interactions, the so-called cross-resonance effect. As with the Toffoli gate, this three-qubit gate can be used to perform universal quantum computation. The iToffoli gate is implemented by simultaneously applying microwave pulses to a linear chain of three qubits, revealing a process fidelity as high as 98.26(2)%. Moreover, we numerically show that our gate scheme can produce additional three-qubit gates which provide more efficient gate synthesis than the Toffoli and Toffoli gates. Our work not only brings a high-fidelity iToffoli gate to current superconducting quantum processors but also opens a pathway for developing multi-qubit gates based on two-qubit interactions.

研究动机与目标

• 为固定频率超导量子比特开发高保真度三量子比特门，以提升量子线路深度效率。
• 克服当前NISQ设备中三量子比特门保真度低的局限性，以实现实际量子算法的执行。
• 通过实现等效于Toffoli门但保真度更高且更具可扩展性的门，实现通用量子计算。
• 探索两量子比特相互作用（特别是交叉共振效应）在生成高保真度多量子比特门方面的潜力。
• 提供一种可扩展的框架，通过新型三量子比特门设计，利用更少的门实现高效量子线路合成。

提出的方法

• iToffoli门通过在三固定频率超导量子比特线性链上同时施加微波脉冲实现。
• 该门依赖于量子比特之间的交叉共振相互作用，以介导受控纠缠并实现三量子比特逻辑操作。
• 脉冲序列经过优化，以最小化串扰和门错误，确保高过程保真度。
• 使用数值模拟探索门的参数空间，并识别出可提升门合成效率的其他三量子比特门变体。
• 门设计基于从交叉共振哈密顿量导出的幺正演化，实现受控条件操作。
• 通过随机化基准测试和量子过程层析成像评估过程保真度，以验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过两量子比特相互作用在固定频率超导量子比特中实现高保真度iToffoli门？
• RQ2 在使用交叉共振脉冲的线性量子比特链中，三量子比特门的最大过程保真度能达到多少？
• RQ3 所提出的门方案能否生成相较于Toffoli门具有更高门合成效率的其他三量子比特门？
• RQ4 在超导架构中，对三个量子比特同时施加脉冲如何影响门保真度和串扰？
• RQ5 在多量子比特通用量子操作中，两量子比特相互作用的潜力在多大程度上可被利用？

主要发现

• iToffoli门实现了98.26(2)%的过程保真度，证明了在超导量子比特平台上实现高保真度操作的可行性。
• 该门仅通过两量子比特交叉共振相互作用实现，避免了对直接三体耦合的需求。
• 数值分析证实，该门方案可生成其他三量子比特门，其在量子线路合成中效率更高。
• 高保真度归因于优化的脉冲整形和同步控制，有效降低了退相干和串扰。
• 该门设计具有可扩展性，并与现有使用固定频率量子比特的超导量子处理器兼容。
• 结果验证了仅通过两量子比特相互作用即可实现高保真度通用三量子比特操作的可行性。