[论文解读] Quantum crosstalk cancellation for fast entangling gates and improved multi-qubit performance

Ken Xuan Wei, Easwar Magesan+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 26被引用 14

一句话总结

该论文提出 siZZle 技术，通过在耦合 transmon 量子比特上同时施加远失谐的交流斯塔克驱动，以消除超导量子处理器中的静态 $ZZ$ 串扰。通过调节这些驱动的相位和幅度，该方法实现了更快、保真度更高的两量子比特门——展示了 90 ns 的 CNOT 门，误差仅为 0.19%，并在一个 7 量子比特系统中显著提升了多量子比特电路性能，为可扩展的高保真度量子计算铺平了道路。

ABSTRACT

Quantum computers built with superconducting artificial atoms already stretch the limits of their classical counterparts. While the lowest energy states of these artificial atoms serve as the qubit basis, the higher levels are responsible for both a host of attractive gate schemes as well as generating undesired interactions. In particular, when coupling these atoms to generate entanglement, the higher levels cause shifts in the computational levels that leads to unwanted $ZZ$ quantum crosstalk. Here, we present a novel technique to manipulate the energy levels and mitigate this crosstalk via a simultaneous AC Stark effect on coupled qubits. This breaks a fundamental deadlock between qubit-qubit coupling and crosstalk, leading to a 90ns CNOT with a gate error of (0.19 $\pm$ 0.02) $\%$ and the demonstration of a novel CZ gate with fixed-coupling single-junction transmon qubits. Furthermore, we show a definitive improvement in circuit performance with crosstalk cancellation over seven qubits, demonstrating the scalability of the technique. This work paves the way for superconducting hardware with faster gates and greatly improved multi-qubit circuit fidelities.

研究动机与目标

• 解决固定耦合超导量子比特中快速纠缠门与串扰之间的根本性权衡问题。
• 缓解因 transmon 量子比特始终存在的耦合而产生的静态 $ZZ$ 相互作用，该作用会降低多量子比特门的保真度。
• 开发一种可扩展的纯微波控制技术，实现高保真度两量子比特门，且无需可调耦合器或复杂硬件。
• 在配备多路径耦合器的 7 量子比特线性阵列中，验证该技术在降低串扰和提升性能方面的有效性。
• 通过动态能级位移实现门速度与串扰限制的解耦，从而实现更快的门速度和更高的电路保真度。

提出的方法

• 该方法在量子比特对的两个量子比特上施加远失谐微波驱动（斯塔克音调），诱导交流斯塔克位移，调节能级并抵消静态 $ZZ$ 相互作用。
• 该技术利用两个斯塔克驱动之间的相位差作为额外的控制参数，实现对 $ZZ$ 的精确抵消或增强。
• 理论建模将先前基于自旋的处理方法扩展至 transmon 量子比特，推导出包含斯塔克位移能级分裂和 $ZZ$ 耦合的有效哈密顿量。
• 该方法通过多路径耦合器（MPCs）实现，相比单路径耦合器，显著降低了所需斯塔克音调的幅度，提高了对幅度噪声的鲁棒性。
• 门操作通过交叉共振脉冲实现，门时间在无 siZZle 条件下已优化，保真度通过随机化基准测试测量。
• 通过调节斯塔克音调的相位和幅度，将系统校准至目标工作点，实现 $ZZ$ 抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不使用可调耦合器的前提下，能否通过同时施加交流斯塔克位移有效抵消固定耦合 transmon 量子比特中的静态 $ZZ$ 串扰？
• RQ2 该串扰抵消技术在保持高保真度的前提下，能在多大程度上实现更快的两量子比特门？
• RQ3 siZZle 方法在多量子比特系统中，特别是在多路径耦合架构下，其可扩展性如何？
• RQ4 斯塔克音调的相位差对 $ZZ$ 抵消的可控性和鲁棒性有何影响？
• RQ5 该技术能否在多量子比特处理器中实现最小化对量子比特相干性和读出保真度的影响？

主要发现

• 实现了 90 ns 的 CNOT 门，门误差为 (0.19 ± 0.02)%，相比先前报道的成果，门速度提高了两倍。
• siZZle 技术实现了仅使用微波脉冲的新型高保真度 CZ 门，拓展了全 transmon 处理器的工具集。
• 在 7 量子比特线性链中，$ZZ$ 抵消显著降低了静态串扰，从而在量子体积电路性能上实现了可测量的提升。
• 使用多路径耦合器后，所需斯塔克音调幅度相比单路径耦合器降低了约 3.5 倍，降低了对幅度噪声的敏感性。
• 量子比特相干时间（T₁ 和 T₂）保持在典型波动范围内，T₂ 仅出现轻微退化，且由于驱动引起的量子比特频率偏移 ≤1.2 MHz。
• 两个斯塔克音调之间的相位差被证明是关键的控制参数，可在同一框架内实现 $ZZ$ 抵消与增强。