[论文解读] Overcoming correlated noise in quantum systems: How mediocre clocks make good qubits

P. O’Malley, J. Kelly+21 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2014

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用 2

一句话总结

本文展示了通过利用超导量子比特中的相关噪声，即使使用性能一般、存在噪声的时钟，也能稳定量子比特的退相干，从而将噪声转化为资源。该方法利用噪声的时间相关性来抑制退相干，无需额外的控制硬件，即可将量子比特相干时间提升3.5倍。

ABSTRACT

P. J. J. O’Malley,1, ∗ J. Kelly,1, ∗ R. Barends,1, ∗ B. Campbell,1 Y. Chen,1 Z. Chen,1 B. Chiaro,1 A. Dunsworth,1 A. G. Fowler,1, 2 I.-C. Hoi,1 E. Jeffrey,1 A. Megrant,1, 3 J. Mutus,1 C. Neill,1 C. Quintana,1 P. Roushan,1 D. Sank,1 A. Vainsencher,1 J. Wenner,1 T. C. White,1 A. N. Korotkov,4 A. N. Cleland,1 and John M. Martinis1 Department of Physics, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA Centre for Quantum Computation and Communication Technology, School of Physics, The University of Melbourne, Victoria 3010, Australia Department of Materials, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Riverside, CA 92521, USA

研究动机与目标

• 解决由环境噪声引起的超导量子比特退相干问题。
• 探究是否可以利用控制时钟中的相关噪声，而非仅加以抑制。
• 开发一种无需高保真度时钟的噪声鲁棒型量子比特稳定技术。
• 证明即使使用性能一般、具有相关噪声的时钟，仍可实现长寿命的量子比特相干性。
• 提供一种可扩展、硬件高效的传统量子比特错误缓解技术的替代方案。

提出的方法

• 作者使用与具有相关噪声的控制振荡器耦合的超导 transmon 量子比特，将噪声建模为非马尔可夫过程。
• 针对相关噪声的谱特性，应用定制化的动态解耦序列以抑制退相干。
• 该方法依赖于时钟中相关噪声导致量子比特演化中发生相长干涉，从而降低有效退相干速率。
• 理论分析采用带有时非局部噪声核的主方程，以模拟相关噪声对量子比特动力学的影响。
• 实验验证基于加州大学圣塔芭芭拉分校的超导量子处理器，测量在不同时钟噪声条件下量子比特的相干性。
• 相干时间作为噪声相关时间的函数被测量，并与理想时钟基准进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用控制时钟中的相关噪声来改善量子比特相干性，而非将其视为负担？
• RQ2 在使用低保真度、存在噪声但具有时间相关性的时钟时，量子比特相干性能在多大程度上得以保持？
• RQ3 时钟中噪声相关性的结构如何影响量子比特的有效退相干速率？
• RQ4 能否为相关噪声优化动态解耦序列，使其优于标准序列？
• RQ5 是否可能在不使用高精度控制振荡器的情况下实现长量子比特相干时间？

主要发现

• 与幅度相似但不相关的噪声相比，控制时钟中的相关噪声使量子比特相干时间提高了3.5倍。
• 该提升源于在相关噪声作用下，量子比特演化中发生相长干涉，从而抑制了有效退相干。
• 尽管使用了具有显著相位噪声的时钟，该方法仍实现了与理想无噪声时钟相当的相干时间。
• 该增强效果在广泛的噪声相关时间范围内均保持稳定，表明其具有广泛的适用性。
• 该技术无需额外控制硬件，因此可扩展应用于大规模量子处理器。
• 采用非马尔可夫主方程的理论建模能准确预测观测到的相干性增强效果。