[论文解读] High-fidelity superconducting quantum processors via laser-annealing of transmon qubits

Eric Zhang, Srikanth Srinivasan+20 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 14

一句话总结

本文提出激光退火（LASIQ）作为一种可扩展的方法，可高精度调节固定频率 transmon 量子比特，从而实现高保真度量子处理器。通过选择性地利用激光热退火调节约瑟夫森结电阻，作者实现了 18.5 MHz 的频率分配精度，在 65 量子比特处理器上达到 98.7% 的平均两量子比特门保真度，且量子比特相干性未出现退化。

ABSTRACT

Scaling the number of qubits while maintaining high-fidelity quantum gates remains a key challenge for quantum computing. Presently, superconducting quantum processors with >50-qubits are actively available. For such systems, fixed-frequency transmons are attractive due to their long coherence and noise immunity. However, scaling fixed-frequency architectures proves challenging due to precise relative frequency requirements. Here we employ laser annealing to selectively tune transmon qubits into desired frequency patterns. Statistics over hundreds of annealed qubits demonstrate an empirical tuning precision of 18.5 MHz, with no measurable impact on qubit coherence. We quantify gate error statistics on a tuned 65-qubit processor, with median two-qubit gate fidelity of 98.7%. Baseline tuning statistics yield a frequency-equivalent resistance precision of 4.7 MHz, sufficient for high-yield scaling beyond 1000-qubit levels. Moving forward, we anticipate selective laser annealing to play a central role in scaling fixed-frequency architectures.

研究动机与目标

• 解决当量子比特数量超过 50 时，固定频率超导量子处理器中频率碰撞的挑战。
• 克服由制造引起的频率波动（1–2%），该波动限制了门保真度和可扩展性。
• 开发一种可扩展的、后制备的调节方法，以实现高良率处理器制造所需的精确、无碰撞的频率模式。
• 确保调节过程不会降低量子比特相干性或门性能，维持容错能力。

提出的方法

• 采用激光退火（LASIQ）在后制备阶段热调节约瑟夫森结电阻，从而精确控制 transmon 量子比特频率。
• 使用波长为 532 nm 的二极管泵浦固态激光器，将光束聚焦于单个量子比特，通过定时、渐进式的照射，单调增加结电阻。
• 实施自适应电阻控制，结合中间测量，将目标电阻控制在 ±0.3% 容差范围内，对应约 10 MHz 的频率精度。
• 利用蒙特卡洛建模生成无碰撞的频率规划，并在处理前优化调节良率。
• 在 24 小时内完成调节后的等离子体清洗和倒装芯片键合，以最小化结电阻漂移并保持调节后的频率稳定性。
• 使用含高斯-方形 CR 脉冲和旋转脉冲的杜芬模型时域仿真，对两量子比特门保真度进行建模与优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光退火是否能够实现足够的频率调节精度，以解决大规模固定频率 transmon 网格中的频率碰撞问题？
• RQ2 LASIQ 调节过程是否会导致多量子比特处理器中量子比特相干性或门保真度的退化？
• RQ3 在完成全部加工流程（包括低温冷却和键合步骤）后，实际可实现的频率分配精度是多少？
• RQ4 LASIQ 的基线电阻调节精度（4.7 MHz）在多大程度上可支持超过 1000 个量子比特的可扩展制造？
• RQ5 在大网格中，包含次近邻频率相互作用如何影响调节策略和误差缓解？

主要发现

• 在整个加工流程（包括低温冷却和键合）中，实测的频率分配精度为 18.5 MHz。
• 基于 f₀₁(Rₙ) 关系推导出的基线 LASIQ 调节精度为 4.7 MHz，足以支持超过 1000 个量子比特的高良率可扩展制造。
• 65 量子比特的 Hummingbird 处理器在激光退火后实现了 98.7% 的平均两量子比特门保真度。
• 在调节与未调节的量子比特之间，T₁（79 ± 16 μs）和 T₂（69 ± 26 μs）均未观察到统计上显著的差异，证实相干性未退化。
• 未调节量子比特的残余频率展宽（σ_f ≈ 18.1 MHz）限制了整体精度，而非 LASIQ 过程本身。
• 测得低温再冷却稳定性为 5.7 MHz，表明结合热循环数据可进一步提升 f₀₁ 预测精度。