[论文解读] Programmable Heisenberg interactions between Floquet qubits

Long B. Nguyen, Yosep Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 49被引用 5

一句话总结

该论文通过使用周期性微波驱动，实现了固定频率超导电路中弗洛凯任意子之间的可编程海森堡相互作用，将静态 transmon 任意子绝热映射为可调的弗洛凯任意子。作者实现了完全可调的 XXZ 异质性，实现了高保真度的 iSWAP（99.32%）、CZ（99.72%）和 SWAP（98.93%）门，以及保真度为 96.18% 的三量子比特 CCZ 门，从而在高相干性平台上实现了鲁棒且高性能的量子操作。

ABSTRACT

The fundamental trade-off between robustness and tunability is a central challenge in the pursuit of quantum simulation and fault-tolerant quantum computation. In particular, many emerging quantum architectures are designed to achieve high coherence at the expense of having fixed spectra and consequently limited types of controllable interactions. Here, by adiabatically transforming fixed-frequency superconducting circuits into modifiable Floquet qubits, we demonstrate an XXZ Heisenberg interaction with fully adjustable anisotropy. This interaction model is on one hand the basis for many-body quantum simulation of spin systems, and on the other hand the primitive for an expressive quantum gate set. To illustrate the robustness and versatility of our Floquet protocol, we tailor the Heisenberg Hamiltonian and implement two-qubit iSWAP, CZ, and SWAP gates with estimated fidelities of 99.32(3)%, 99.72(2)%, and 98.93(5)%, respectively. In addition, we implement a Heisenberg interaction between higher energy levels and employ it to construct a three-qubit CCZ gate with a fidelity of 96.18(5)%. Importantly, the protocol is applicable to various fixed-frequency high-coherence platforms, thereby unlocking a suite of essential interactions for high-performance quantum information processing. From a broader perspective, our work provides compelling avenues for future exploration of quantum electrodynamics and optimal control using the Floquet framework.

研究动机与目标

• 为克服超导任意子架构中相干性与可调性之间的根本权衡。
• 在具有长相干时间的固定频率平台上实现可编程、可调的相互作用。
• 利用弗洛凯工程实现完全可调的 XXZ 海森堡相互作用，以支持通用量子门集。
• 通过工程化的相互作用实现高保真度的两量子比特和三量子比特门。
• 在高相干性平台上验证该协议对退相干和非绝热效应的鲁棒性。

提出的方法

• 通过时间周期性微波驱动，将静态耦合的 transmon 任意子绝热映射为弗洛凯任意子。
• 采用绝热加速（STA）技术以加快绝热映射过程。
• 工程化一个可调的 XXZ 海森堡哈密顿量：$\mathcal{H}_{\text{XXZ}}/\hbar = \sum_{i,j} J_{\text{XY}}(\sigma_x^i\sigma_x^j + \sigma_y^i\sigma_y^j) + J_{\text{ZZ}}\sigma_z^i\sigma_z^j$，实现可调的异质性。
• 使用泡利噪声重构（PNR）识别两量子比特和三量子比特门中的主要误差通道。
• 执行单次测量读出和回声测量，以表征周期性驱动下的布居态退相干和加热效应。
• 使用投影到弗洛凯基的 Lindblad 主方程模拟退相干，与实验数据匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 弗洛凯工程是否能在高相干性的固定频率超导任意子中实现可调、可编程的海森堡相互作用？
• RQ2 该绝热映射协议在真实退相干和非绝热效应下的表现如何？
• RQ3 工程化后的 iSWAP、CZ、SWAP 和 CCZ 门中的主要误差通道是什么？
• RQ4 XXZ 异质性在多大程度上可调，以支持通用门集？
• RQ5 该协议是否在保持高相干性的同时，支持复杂、多量子比特的纠缠操作？

主要发现

• iSWAP 门的保真度达到 99.32(3)%，Z 型误差为主要误差通道。
• CZ 门的保真度达到 99.72(2)%，主要受 Q1 上的 Y 型误差和 Q2 上的 X 型误差影响。
• SWAP 门的保真度为 98.93(5)%，主要受任一任意子上 X 型和 Z 型误差的影响。
• 三量子比特 CCZ 门的实现保真度为 96.18(5)%，其中 Q1 上的 Z 型误差以及 Q2 和 Q3 上的 X/Y 型误差最为显著。
• 布居态退相干测量显示，随着驱动幅度增加，激发态布居数单调上升，表明存在有效加热，尽管弛豫率和退相干率保持相对稳定。
• 在弗洛凯基中对 Lindblad 动力学的数值模拟定量再现了实验数据，证实了退相干模型的一致性。