[论文解读] Mitigating information leakage in a crowded spectrum of weakly anharmonic qubits

Visa Vesterinen, O.-P. Saira+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 11

一句话总结

该论文通过实验表明，Wah-Wah控制——一种结合DRAG与边带调制的解析脉冲整形技术——能有效抑制频率密集、弱非谐性的transmon量子比特中的内部和外部泄漏。在最短16 ns的门时间下，该技术可在单一馈线中实现退相干极限的交替单量子比特控制，每步平均误差不超过1%，在串串串抑制方面优于标准DRAG，同时保持了量子比特空闲时的保真度。

ABSTRACT

A challenge for scaling up quantum processors using frequency-crowded, weakly anharmonic qubits is to drive individual qubits without causing leakage into non-computational levels of the others, while also minimizing the number of control lines. To address this, we implement single-qubit Wah-Wah control in a circuit QED processor with a single feedline for all transmon qubits, operating at the maximum gate speed achievable given the frequency crowding. Randomized benchmarking and quantum process tomography confirm alternating qubit control with $\leq$1% average error per computational step and decoherence-limited idling of one qubit while driving another with a Wah-Wah pulse train.

研究动机与目标

• 为解决在单条控制线上同时控制多个量子比特时，频率密集、弱非谐性超导量子比特中信息泄漏的挑战。
• 克服标准DRAG脉冲在高频率拥挤条件下会向邻近量子比特的非计算态引发显著泄漏的局限性。
• 证明Wah-Wah控制——具备边带调制和四个可调参数——可实现接近由量子比特间频率失谐决定的物理极限的门速度。
• 验证Wah-Wah控制在邻近量子比特被高速脉冲驱动时，能保持未被寻址量子比特的退相干极限空闲状态，从而支持可扩展的多量子比特操作。

提出的方法

• 作者实现了一种四参数解析脉冲波形，结合同相和 quadrature 分量上的高斯包络与导数高斯包络，并通过额外的边带调制来抑制泄漏。
• 采用二维电路QED架构，使用单条共享馈线驱动两个transmon量子比特，以最小化控制线数量并最大化串串串抑制。
• 基于独立测量的参数（如非谐性与跃迁频率）构建系统哈密顿量的简化模型，以加速脉冲优化。
• 采用交替单量子比特控制的随机化基准测试（RB）来量化平均门误差，并通过虚拟Z门补偿来隔离控制保真度偏差。
• 利用量子过程层析成像（QPT）测量在另一量子比特被主动控制期间，未被寻址量子比特的演化保真度，以评估其空闲性能。
• 通过闪光式布居测量，直接观测在DRAG与Wah-Wah脉冲下，未被寻址量子比特第三能级的泄漏情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 Wah-Wah控制是否能在单条馈线下，有效抑制频率密集超导量子比特系统中的内部和外部泄漏？
• RQ2 当邻近量子比特被高速脉冲驱动时，Wah-Wah控制是否能保持未被寻址量子比特的退相干极限空闲状态？
• RQ3 在相同门时间下，Wah-Wah控制与标准DRAG在平均门误差和泄漏方面的性能对比如何？
• RQ4 四参数解析脉冲波形在实际中是否可高效优化？其是否能实现接近由量子比特间频率失谐决定的物理极限的门速度？
• RQ5 即使门时间短至16 ns，Wah-Wah脉冲下未被寻址量子比特的演化保真度是否仍能保持？

主要发现

• Wah-Wah控制将未被寻址量子比特的外部泄漏降至可忽略水平，脉冲结束时所有布居均返回计算子空间，而DRAG则引发了显著的第三能级布居。
• 采用Wah-Wah脉冲实现的交替单量子比特控制，每步平均误差不超过1.0%，且误差率与退相干极限基线无法区分。
• 在另一量子比特进行Wah-Wah脉冲驱动期间，未被寻址量子比特的平均门保真度几乎与真实空闲状态相同，证实了其退相干极限运行。
• 在16 ns、20 ns和24 ns的门时间下，未被寻址量子比特在Wah-Wah控制下的保真度与真实空闲状态处于实验不确定度范围内，而DRAG引起的退化随门时间缩短而加剧。
• 量子过程层析成像证实，DRAG导致的空闲保真度下降是由于诱导泄漏，而非动态解耦或Z门补偿不完善所致。
• 四参数Wah-Wah脉冲波形被证明在优化中既有效又实用，可在频率密集谱中实现高保真度控制，且无需专用控制线。