[论文解读] Realization of Super-Robust Geometric Control in a Superconducting Circuit

Sai Li, Bao-Jie Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 61被引用 2

一句话总结

本文通过施加新约束以抑制对非计算态的交叉耦合，在超导电路中提出了一种超鲁棒的非绝热全息量子计算（NHQC）方案。该方法对准静态横向误差实现了四阶保真度抑制——显著提升了相较于传统NHQC和动力学门的鲁棒性，且实验验证了动力学相积累的减少。

ABSTRACT

Geometric phases accompanying adiabatic quantum evolutions can be used to construct robust quantum control for quantum information processing due to their noise-resilient feature. A significant development along this line is to construct geometric gates using nonadiabatic quantum evolutions to reduce errors due to decoherence. However, it has been shown that nonadiabatic geometric gates are not necessarily more robust than dynamical ones, in contrast to an intuitive expectation. Here we experimentally investigate this issue for the case of nonadiabatic holonomic quantum computation~(NHQC) and show that conventional NHQC schemes cannot guarantee the expected robustness due to a cross coupling to the states outside the computational space. We implement a new set of constraints for gate construction in order to suppress such cross coupling to achieve an enhanced robustness. Using a superconducting quantum circuit, we demonstrate high-fidelity holonomic gates whose infidelity against quasi-static transverse errors can be suppressed up to the fourth order, instead of the second order in conventional NHQC and dynamical gates. In addition, we explicitly measure the accumulated dynamical phase due to the above mentioned cross coupling and verify that it is indeed much reduced in our NHQC scheme. We further demonstrate a protocol for constructing two-qubit NHQC gates also with an enhanced robustness.

研究动机与目标

• 为解决尽管理论上预期具有抗噪声韧性，但传统非绝热全息量子门鲁棒性有限的问题。
• 识别并缓解导致全息门保真度下降的非计算态之间的交叉耦合效应。
• 设计一组新的约束条件用于门构造，以抑制非期望跃迁并增强鲁棒性。
• 在超导电路中实验演示高保真度的单量子比特与双量子比特全息门，实现改进的误差抑制。
• 验证新NHQC方案中由于交叉耦合导致的累积动力学相减少。

提出的方法

• 在门构造过程中引入一组新约束，以抑制对计算子空间外态的耦合。
• 在超导量子电路平台上实现满足这些约束的单量子比特与双量子比特全息门。
• 设计控制脉冲，使几何相位得以保持，同时最小化由非共振耦合引起的动力学相积累。
• 通过微扰分析表明，由于准静态横向误差导致的保真度损失被抑制至四阶，而非传统方案中的二阶。
• 在各种误差条件下对门保真度和动力学相进行实验表征，以验证其鲁棒性。
• 利用相同的基于约束的框架，演示了具有增强鲁棒性的双量子比特NHQC门。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何传统非绝热全息量子门无法实现预期的抗噪声鲁棒性？
• RQ2 在超导量子比特中，对非计算态的交叉耦合在多大程度上会降低全息门的保真度？
• RQ3 在门设计中引入一组新约束，能否抑制非共振耦合并实现超越二阶的误差抑制？
• RQ4 与传统方案相比，新NHQC方案中由于交叉耦合导致的累积动力学相有何差异？
• RQ5 该增强的鲁棒性能否通过相同框架扩展至双量子比特全息门？

主要发现

• 所提出的NHQC方案对准静态横向误差实现了四阶保真度抑制，优于传统NHQC和动力学门的二阶抑制。
• 实验结果证实，由于交叉耦合导致的累积动力学相显著减少，验证了新约束的有效性。
• 单量子比特全息门表现出高保真度，且在多种横向误差强度下鲁棒性均得到提升。
• 相同的基于约束的方法可实现具有增强鲁棒性的双量子比特NHQC门，展示了可扩展性。
• 新方案中测得的动力学相明显小于传统NHQC，证实了对非共振耦合的敏感性降低。
• 结果为通过工程化几何相实现超导电路中容错量子控制提供了实用路径。