[论文解读] Long-distance transmon coupler with CZ gate fidelity above $99.8\%$

Fabian Marxer, Antti Vepsäläinen+37 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 45被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于悬浮式 transmon 耦合器与波导延伸结构的长距离可调耦合器架构，实现了超导量子比特之间至少 2 mm 分离距离下的高保真度 CZ 门。通过利用波导而非直接电容耦合来介导耦合，该设计保持了 >50 MHz 的耦合强度，降低了非最近邻相互作用，并实现了单个量子比特读出共振腔与 Purcell 滤波器，最终实现了 99.81 ± 0.02% 的 CZ 门保真度。

ABSTRACT

Tunable coupling of superconducting qubits has been widely studied due to its importance for isolated gate operations in scalable quantum processor architectures. Here, we demonstrate a tunable qubit-qubit coupler based on a floating transmon device which allows us to place qubits at least 2 mm apart from each other while maintaining over 50 MHz coupling between the coupler and the qubits. In the introduced tunable-coupler design, both the qubit-qubit and the qubit-coupler couplings are mediated by two waveguides instead of relying on direct capacitive couplings between the components, reducing the impact of the qubit-qubit distance on the couplings. This leaves space for each qubit to have an individual readout resonator and a Purcell filter needed for fast high-fidelity readout. In addition, the large qubit-qubit distance reduces unwanted non-nearest neighbor coupling and allows multiple control lines to cross over the structure with minimal crosstalk. Using the proposed flexible and scalable architecture, we demonstrate a controlled-$Z$ gate with $(99.81 \pm 0.02)\%$ fidelity.

研究动机与目标

• 解决可调耦合器架构中因量子比特距离过短而导致的高干扰性非最近邻耦合问题。
• 通过增加量子比特之间的物理间距，同时保持强而可调的耦合，实现可扩展量子处理器的设计。
• 通过增加量子比特间距，减少控制线带来的串扰，并实现单个量子比特读出共振腔与 Purcell 滤波器的集成。
• 在具有较大量子比特间距且静态 ZZ 相互作用极小的系统中，实现高保真度两量子比特门（特别是 CZ 门）。
• 证明波导介导耦合可在长距离下保持高耦合强度与门保真度，从而提升芯片布局灵活性。

提出的方法

• 采用悬浮式 transmon 耦合器，通过外部磁通实现可调谐，实现对量子比特耦合的动态控制。
• 使用波导延伸结构代替直接电容耦合，介导耦合器与量子比特之间的耦合，从而将耦合强度与量子比特间距解耦。
• 设计一种准集总元件电路模型，其中波导延伸结构产生的等效集总元件电容用于模拟耦合强度。
• 采用倒装芯片架构，其中量子比特与耦合器位于底层芯片上，控制线通过长垂直传输线跨越于顶层芯片之上。
• 通过计算不同交叉位置处组件与传输线之间的电容耦合比，模拟并优化串扰。
• 利用数值模拟评估非最近邻耦合（例如 g13），并识别控制线布线的低串扰区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 可调耦合器是否能在至少 2 mm 的量子比特间距下维持 >50 MHz 的高耦合强度？
• RQ2 与直接电容耦合相比，波导介导耦合是否显著降低了干扰性非最近邻相互作用？
• RQ3 在 2 mm 分离距离的量子比特架构中，是否可以集成单个量子比特读出共振腔与 Purcell 滤波器，且不损害门保真度？
• RQ4 在具有最小静态 ZZ 相互作用的长距离耦合器架构中，可实现的 CZ 门保真度是多少？
• RQ5 耦合器的磁通调谐特性与退相干行为如何影响门保真度，特别是在甜点区域附近？

主要发现

• 所提出的耦合器设计在量子比特间距为 1960 µm 时，仍能保持耦合器与每个量子比特之间超过 50 MHz 的耦合强度。
• 实测 CZ 门保真度达到 99.81 ± 0.02%，超过 99.8% 的阈值，证明了高保真度两量子比特操作的可行性。
• 仿真结果表明，增加量子比特间距可显著降低干扰性次近邻耦合（g13），从而提升门选择性。
• 波导介导耦合架构允许多条控制线在结构上方交叉，且串扰极小，该结果通过电容耦合比仿真得到验证。
• 通过未耦合量子比特与耦合器退相干时间的加权平均，计算了耦合模态的有效退相干时间，支持高门保真度。
• 在 3.8 GHz 处观察到一个明显的去相位特征，归因于光谱活性的两能级系统（TLS），但其对门性能影响甚微。