[论文解读] Realization of high-fidelity CZ and ZZ-free iSWAP gates with a tunable coupler

Youngkyu Sung, Leon Ding+15 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Nov 2, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 51

一句话总结

本文展示了使用可调谐跨导耦合器实现高保真 CZ 与 ZZ-free iSWAP 门，实现分别为 99.76±0.07% 和 99.87±0.23% 的两量子比特交互保真度，且通过优化控制抑制泄漏和 ZZ 相互作用。

ABSTRACT

High-fidelity two-qubit gates at scale are a key requirement to realize the full promise of quantum computation and simulation. The advent and use of coupler elements to tunably control two-qubit interactions has improved operational fidelity in many-qubit systems by reducing parasitic coupling and frequency crowding issues. Nonetheless, two-qubit gate errors still limit the capability of near-term quantum applications. The reason, in part, is the existing framework for tunable couplers based on the dispersive approximation does not fully incorporate three-body multi-level dynamics, which is essential for addressing coherent leakage to the coupler and parasitic longitudinal ($ZZ$) interactions during two-qubit gates. Here, we present a systematic approach that goes beyond the dispersive approximation to exploit the engineered level structure of the coupler and optimize its control. Using this approach, we experimentally demonstrate CZ and $ZZ$-free iSWAP gates with two-qubit interaction fidelities of $99.76 \pm 0.07$% and $99.87 \pm 0.23$%, respectively, which are close to their $T_1$ limits.

研究动机与目标

• 为超导量子比特实现可扩展的高保真两量子比特门，以克服寄生耦合和泄漏。
• 开发并演示一种可调耦合器方法，超越色散近似，利用耦合器的多级结构。
• 通过优化控制和耦合器工程，在快速两量子比特门过程中抑制相干泄漏和残留 ZZ 相互作用。
• 实验证明 CZ 和 ZZ-free iSWAP 门的保真度可以接近互连随机基准测试中的相干极限。

提出的方法

• 将包含两量子比特的三体系统及可调耦合器建模为具有交换型耦合的 Duffing 振子。
• 调整耦合器频率以产生避免性交叉，通过对特定能级之间的非绝热跃迁实现 CZ 和 iSWAP。
• 使用两级系统简化（单激发与双激发流形）并以明/暗态概念描述泄漏动力学。
• 为耦合器频率设计最优控制脉冲（基于 Slepian），以在 CZ 和 iSWAP 过程中抑制泄漏。
• 利用耦合器的更高能级（020）来抵消 ZZ 相互作用，从而实现 ZZ-free iSWAP。
• 通过互插随机基准测试量化门性能，并通过 Lindblad 模拟与 T1 极限进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过具备多级结构的可调耦合器在紧凑的超导电路中实现高保真 CZ 和 ZZ-free iSWAP 门？
• RQ2 如何优化控制脉冲以抑制快门两量子比特门过程中对耦合器的相干泄漏？
• RQ3 是否可以利用耦合器的更高能级来抵消 iSWAP 中的残留 ZZ 相互作用？
• RQ4 在该体系架构下，CZ 和 iSWAP 门相对于 T1 极限的实验可实现保真度是多少？

主要发现

• CZ 门在 60 ns 门中实现 F_CZ = 99.76 ± 0.07%。
• ZZ-free iSWAP 门在 30 ns 门中实现 F_iSWAP = 99.87 ± 0.23%。
• 最优控制减少 CZ 泄漏并提高两量子比特 Clifford 错误率。
• 在 iSWAP 过程中通过利用耦合器的更高能级（020）抵消能级排斥，从而实现接近零的 ZZ 相位，消除了残留 ZZ。
• 通过两级系统建模和基于 Slepian 的脉冲抑制了对耦合器的泄漏。
• 门保真度依据 Lindblad 模拟接近其 T1 极限。