[论文解读] Mitigating coherent leakage of superconducting qubits in a large-scale quantum socket

Thomas McConkey, J. H. Béjanin+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 32被引用 3

一句话总结

本文提出两种方法——半波围栏法与反峰钉扎法——利用大规模量子插座中的三维导线，通过将不必要的腔模频率与量子比特频率失谐，以减轻超导量子比特中的相干泄漏误差。仿真结果表明，这些方法可将相干泄漏降低至约10⁻⁵，显著低于非相干误差率，从而实现100个以上量子比特的可扩展量子计算。

ABSTRACT

A practical quantum computer requires quantum bit (qubit) operations with low error rates in extensible architectures. We study a packaging method that makes it possible to address hundreds of superconducting qubits by means of three-dimensional wires: The large-scale quantum socket. A qubit chip is housed in a superconducting box, where both box and chip dimensions lead to unwanted modes that can interfere with qubit operations. We theoretically analyze these interference effects in the context of qubit coherent leakage. We propose two methods to mitigate the resulting errors by detuning the resonance frequency of the modes from the qubit frequency. We perform detailed electromagnetic field simulations indicating that the resonance frequency of the modes increases with the number of installed three-dimensional wires and can be engineered to be significantly higher than the highest qubit frequency. Finally, we show preliminary experimental results towards the implementation of a large-scale quantum socket.

研究动机与目标

• 解决由封装中不必要的腔模引起的大型超导量子比特架构中的相干泄漏误差问题。
• 开发一种可扩展的封装解决方案——大规模量子插座，利用三维导线实现控制与屏蔽。
• 通过将腔模频率与量子比特频率失谐，利用用于量子比特操作的相同导线减轻相干误差。
• 通过仿真和初步实验表明，三维导线既能控制量子比特，又能抑制泄漏至寄生模式。
• 通过将相干误差降低至低于非相干误差阈值，实现容错量子计算。

提出的方法

• 本文将相干泄漏建模为量子插座金属封装中与不想要的腔模耦合所引起的去极化通道。
• 提出半波围栏法：将三维导线以半波长间隔布置，通过相消干涉在量子比特位置抑制模场振幅。
• 提出反峰钉扎法：将导线置于不想要的模场的反峰位置，以将其实 resonant 频率移离量子比特频率。
• 使用电磁场仿真来模拟Xmon transmon量子比特与腔模的耦合，通过调节导线的布置与几何形状来改变模频率。
• 该方法利用用于量子比特控制的相同三维导线，同时通过调控模谱来隔离量子比特，防止泄漏。
• 通过将导线替换为超导过孔，该方法可推广至芯片模与介质基板模，保持频率失谐效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子插座中的三维导线能否同时实现量子比特控制并抑制泄漏至不想要的腔模？
• RQ2 封装中3D导线数量增加时，寄生腔模的共振频率如何变化？
• RQ3 半波围栏法与反峰钉扎法在大规模量子插座中能将相干泄漏误差降低到何种程度？
• RQ4 量子比特退相干、Purcell效应与频率失谐方法的有效性之间存在何种关系？
• RQ5 同一种基于导线的方法能否在可扩展的超导量子比特架构中同时缓解盒模与芯片模？

主要发现

• 不想要的腔模的共振频率随安装的3D导线数量增加而升高，从而可将模频工程至远高于最高量子比特频率的范围。
• 半波围栏法与反峰钉扎法通过将腔模频率与量子比特频率失谐，有效抑制了相干泄漏，将误差率降低至约10⁻⁵。
• 仿真结果证实，250根三维导线可实现约10⁻⁵的相干泄漏误差率，显著低于典型的非相干误差率。
• 三维导线具有双重功能：实现量子比特控制，并提供对寄生模的电磁屏蔽。
• 通过将导线替换为超导过孔，频率调谐方法可适用于盒模与芯片模（包括介质基板模）。
• 初步实验结果表明，通过合理布置导线，可在大规模量子插座中有效实现对不想要模的电屏蔽。