[论文解读] Quantum design for advanced qubits: plasmonium

Fengming Liu, Ming-Cheng Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出了一种名为'plasmonium'的新型超导量子比特设计，该设计利用变分量子特征值求解器（VQE）在等离子体跃迁区域优化量子线路。该量子比特已成功制备并经实验验证，实现了99.85(1)%的单量子比特保真度、99.58(3)%的双量子比特保真度，物理尺寸比传统transmon量子比特小60%，非谐性高出50%，从而利用现有量子资源实现了可扩展的高性能量子处理器。

ABSTRACT

The increasingly complex quantum electronic circuits with a number of coupled quantum degrees of freedom will become intractable to be simulated on classical computers, and requires quantum computers for an efficient simulation. In turn, it will be a central concept in quantum-aided design for next-generation quantum processors. Here, we demonstrate variational quantum eigensolvers to simulate superconducting quantum circuits with varying parameters covering a plasmon-transition regime, which reveals an advanced post-transmon qubit, "plasmonium". We fabricate this new qubit and demonstrate that it exhibits not only high single- and two-qubit gate fidelities (99.85(1)% and 99.58(3)%, respectively), but also a shrinking (by 60%) physical size and larger (by 50%) anharmonicity than the transmon, which can bring a number of advantages for scaling up multi-qubit devices. Our work opens the way to designing advanced quantum processors using existing quantum computing resources.

研究动机与目标

• 开发一种新型超导量子比特架构，以克服现有transmon量子比特在可扩展性方面的限制。
• 利用变分量子特征值求解器（VQE）实现先进量子比特的量子辅助设计。
• 在保持高门保真度的同时，实现更高的非谐性和更小的物理尺寸。
• 展示所提出的'plasmonium'量子比特的实验可行性与性能表现。
• 通过改进量子比特设计，实现可扩展的多量子比特量子处理器。

提出的方法

• 利用变分量子特征值求解器（VQE）在等离子体跃迁区域对超导量子线路的多种参数进行模拟。
• 基于VQE模拟得出的优化电路参数设计plasmonium量子比特。
• 设计一种类似transmon的超导电路，通过调整能级间距和耦合方式以增强非谐性。
• 采用标准超导纳米加工技术制备plasmonium量子比特。
• 通过随机化基准测试和量子态层析技术表征单量子比特与双量子比特门的保真度。
• 对比plasmonium与传统transmon量子比特的物理尺寸和非谐性，评估其在可扩展性方面的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 变分量子特征值求解器能否有效指导先进超导量子比特的设计？
• RQ2 与transmon相比，plasmonium量子比特架构是否实现了更高的非谐性和更小的物理尺寸？
• RQ3 所制备的plasmonium量子比特中，单量子比特与双量子比特门的保真度是多少？
• RQ4 plasmonium量子比特是否能在实现更小占地面积的同时保持高相干性和门保真度，以支持可扩展集成？
• RQ5 量子辅助设计在多大程度上提升了下一代超导量子比特的性能？

主要发现

• plasmonium量子比特实现了99.85(1)%的单量子比特门保真度，表明其具备高保真度运行能力。
• 双量子比特门保真度达到99.58(3)%，表明其具备鲁棒的纠缠操作能力。
• plasmonium量子比特的物理尺寸相比transmon量子比特减少了60%。
• plasmonium量子比特的非谐性比transmon高出50%，增强了能级的可区分性。
• 通过标准制备与表征技术对量子比特设计进行了实验验证。
• 结果证实，量子辅助设计能够实现高性能、可扩展的超导量子比特的开发。