[论文解读] High-Fidelity Qutrit Entangling Gates for Superconducting Circuits

Noah Goss, Alexis Morvan+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

本论文提出了一种在固定频率 transmon 任意子上利用差分交流斯塔克移位实现的高保真度两任意子纠缠门，实现了动态、微波激活的交叉克尔相互作用。该方案实现了 CZ† 门 97.3(1)% 的过程保真度和 CZ 门 95.2(3)% 的过程保真度，显著优于以往基于 transmon 的任意子门，为容错量子计算中的高效 Clifford 门生成提供了支持。

ABSTRACT

Ternary quantum information processing in superconducting devices poses a promising alternative to its more popular binary counterpart through larger, more connected computational spaces and proposed advantages in quantum simulation and error correction. Although generally operated as qubits, transmons have readily addressable higher levels, making them natural candidates for operation as quantum three-level systems (qutrits). Recent works in transmon devices have realized high fidelity single qutrit operation. Nonetheless, effectively engineering a high-fidelity two-qutrit entanglement remains a central challenge for realizing qutrit processing in a transmon device. In this work, we apply the differential AC Stark shift to implement a flexible, microwave-activated, and dynamic cross-Kerr entanglement between two fixed-frequency transmon qutrits, expanding on work performed for the $ZZ$ interaction with transmon qubits. We then use this interaction to engineer efficient, high-fidelity qutrit CZ$^†$ and CZ gates, with estimated process fidelities of 97.3(1)% and 95.2(3)% respectively, a significant step forward for operating qutrits on a multi-transmon device.

研究动机与目标

• 开发一种适用于超导任意子的高保真度两任意子纠缠门，以克服静态或子空间受限相互作用的局限性。
• 利用固定频率 transmon 中的差分交流斯塔克移位，实现动态、可调谐且高保真的纠缠。
• 展示适用于任意子系统量子误差纠正的通用、最大纠缠且 Clifford 门（CZ 和 CZ†）的实现。
• 通过纠缠相互作用的高开/关比，实现单任意子与两任意子门的并行操作。
• 将基准测试协议推广至任意子系统，使用循环基准测试和交叉熵基准测试验证门性能。

提出的方法

• 在两个具有静态耦合的固定频率 transmon 任意子上施加差分交流斯塔克移位，诱导动态交叉克尔相互作用。
• 利用微波驱动调节任意子能级并动态激活纠缠相位，避免静态耦合的限制。
• 通过精确控制驱动幅度和频率，设计相互作用以生成受控相位门（CZ）及其逆（CZ†）。
• 采用循环基准测试和专为任意子系统定制的广义交叉熵基准测试方法测量过程保真度。
• 数值模拟表明，该门方案在生成额外两任意子 Clifford 门方面具有高效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在固定频率 transmon 任意子中设计出动态、微波激活的纠缠相互作用，以实现高保真度的两任意子门？
• RQ2 差分交流斯塔克移位如何在无需可调谐任意子或复杂耦合器的情况下实现可调谐、高保真的纠缠？
• RQ3 使用该方法在多任意子 transmon 处理器中，CZ 和 CZ† 门可实现的保真度是多少？
• RQ4 由于其高开/关比，该门方案是否能够支持单任意子与两任意子门的并行操作？
• RQ5 该门架构是否适用于生成其他两任意子 Clifford 门，从而在任意子量子计算中实现可扩展且高效的计算？

主要发现

• CZ† 门实现了 97.3(1)% 的过程保真度，与以往两任意子 transmon 门相比，保真度失效率降低了四倍。
• CZ 门实现了 95.2(3)% 的过程保真度，证明了在可扩展超导任意子架构中实现高保真度纠缠的可行性。
• 差分交流斯塔克移位实现了动态、可调谐且高保真的纠缠相互作用，具有高开/关比，支持未来并行操作。
• 数值结果表明，该门方案在生成额外两任意子 Clifford 门方面高效，支持通用任意子计算。
• 包括循环基准测试和广义交叉熵基准测试在内的基准测试框架，成功验证了任意子系统中的门性能。