[论文解读] Quantum crosstalk analysis for simultaneous gate operations on superconducting qubits

Peng Zhao, Kehuan Linghu+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文通过可调谐总线实现亚100纳秒受控-Z（CZ）门，对超导量子比特架构中的量子串扰进行了理论分析。研究发现，在频率碰撞点附近进行微波驱动的单量子比特门时，会出现不可忽略的串扰驱动误差；在CZ操作期间，寄生的次近邻相互作用会导致共振点处的泄漏和控制误差，凸显了在可扩展量子处理器中改进误差缓解和低串扰量子比特设计的必要性。

ABSTRACT

Maintaining or even improving gate performance with growing numbers of parallel controlled qubits is a vital requirement for fault-tolerant quantum computing. For superconducting quantum processors, though isolated one- or two-qubit gates have been demonstrated with high-fidelity, implementing these gates in parallel commonly shows worse performance. Generally, this degradation is attributed to various crosstalks between qubits, such as quantum crosstalk due to residual inter-qubit coupling. An understanding of the exact nature of these crosstalks is critical to figuring out respective mitigation schemes and improved qubit architecture designs with low crosstalk. Here we give a theoretical analysis of quantum crosstalk impact on simultaneous gate operations in a qubit architecture, where fixed-frequency transmon qubits are coupled via a tunable bus, and sub-100-ns controlled-Z (CZ) gates can be realized by applying a baseband flux pulse on the bus. Our analysis shows that for microwave-driven single-qubit gates, the dressing from the qubit-qubit coupling can cause non-negligible cross-driving errors when qubits operate near frequency collision regions. During CZ gate operations, although unwanted near-neighbor interactions are nominally turned off, sub-MHz parasitic next-near-neighbor interactions involving spectator qubits can still exist, causing considerable leakage or control error when one operates qubit systems around these parasitic resonance points. To ensure high-fidelity simultaneous operations, there could raise a request to figure out a better way to balance the gate error from target qubit systems themselves and the error from non-participating spectator qubits. Overall, our analysis suggests that towards useful quantum processors, the qubit architecture should be examined carefully in the context of high-fidelity simultaneous gate operations in a scalable qubit lattice.

研究动机与目标

• 理解在同时进行门操作时，超导量子比特系统中量子串扰的来源及其影响。
• 识别残余的量子比特间耦合和寄生相互作用如何在多量子比特架构中降低门保真度。
• 评估旁观量子比特和非参与量子比特在并行门操作中引入误差的程度。
• 为通过可调谐总线耦合的固定频率Transmon量子比特提供评估串扰效应的理论框架。
• 通过量化目标量子比特和旁观量子比特的串扰贡献，指导未来硬件设计和误差缓解策略。

提出的方法

• 使用四量子比特方形晶格的理论模型，其中固定频率Transmon量子比特通过可调谐磁通总线耦合，以模拟门操作。
• 对总线施加基带磁通脉冲以实现亚100纳秒的CZ门，脉冲形状由满足 λ₁ + λ₃ = 1 的三个傅里叶系数定义。
• 使用系统哈密顿量的时间有序指数计算实际演化算符，U₂ = P̂T exp(−i∫₀ᵀ H(t)dt)。
• 通过投影算符 P₁ 和 P₂ 将完整演化算符投影到计算子空间，分别用于单量子比特和双量子比特操作。
• 使用包含门后相位校正的保真度度量，以考虑本地单量子比特相位误差。
• 通过分析单激发、双激发和三激发子空间中的布居交换矩阵 P(o|i)，量化来自次近邻量子比特的泄漏和串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超导量子比特阵列中同时进行单量子比特和双量子比特门操作时，串扰的主要来源是什么？
• RQ2 残余的量子比特间耦合和寄生的次近邻相互作用如何影响并行CZ门操作中的门保真度？
• RQ3 当目标量子比特在共振点附近操作时，旁观量子比特在多大程度上会引入门误差？
• RQ4 频率碰撞区域如何影响微波驱动单量子比特门中的串扰驱动误差？
• RQ5 高阶过程在实现次近邻量子比特之间不可忽略的布居交换中起什么作用？

主要发现

• 当量子比特在频率碰撞点附近运行时，由于量子比特-量子比特耦合的布居 Dressing 效应，微波驱动单量子比特门中会出现不可忽略的串扰驱动误差。
• 即使强度仅为亚兆赫兹的寄生次近邻相互作用，也可能在系统与这些相互作用共振时，导致CZ门操作中显著的泄漏和控制误差。
• 次近邻量子比特之间的布居交换由高阶过程实现，其幅度被抑制在10⁻⁴以下，但仍对可测量的门误差有贡献。
• 由于目标量子比特系统误差与非参与的旁观量子比特误差之间的平衡，平行操作中的门保真度会下降。
• 分析表明，即使孤立门的保真度很高，并行操作仍会因串扰而受损，必须通过改进架构和控制策略加以解决。
• 本研究强调，为实现容错量子计算，必须设计出串扰最小化的可扩展量子比特阵列。