[论文解读] Spectator Errors in Tunable Coupling Architectures

D. M. Zajac, J. Stehlik+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 11被引用 7

一句话总结

本文研究了可调耦合超导量子架构中的观测者错误，特别是在总线在下量子比特（BBQ）设计中，残余微波路径引起的耦合会破坏理想两量子比特门的保真度。该研究提出通过动态磁通偏置可调耦合器来缓解这些错误，通过在门操作期间有条件地抵消不必要的相互作用，实现无需硬件修改的多量子比特并行门保真度显著提升。

ABSTRACT

The addition of tunable couplers to superconducting quantum architectures offers significant advantages for scaling compared to fixed coupling approaches. In principle, tunable couplers allow for exact cancellation of qubit-qubit coupling through the interference of two parallel coupling pathways between qubits. However, stray microwave couplings can introduce additional pathways which complicate the interference effect. Here we investigate the primary spectator induced errors of the bus below qubit (BBQ) architecture in a six qubit device. We identify the key design parameters which inhibit ideal cancellation and demonstrate that dynamic cancellation pulses can further mitigate spectator errors.

研究动机与目标

• 理解可调耦合超导量子架构中观测者错误的来源及其影响，特别是在BBQ设计中的表现。
• 识别导致由于残余耦合而降低两量子比特门保真度的关键器件参数，如耦合器磁通偏置和量子比特失谐。
• 开发并验证一种基于软件的缓解策略，利用动态磁通偏置来抑制并行门操作期间由观测者引起的交换错误。
• 证明动态补偿脉冲即使在静态偏置无法实现最优抵消时，也能减少观测者错误。
• 提供一种可扩展、非侵入性的方法，以提升具有可调耦合器的大规模超导量子处理器的门保真度。

提出的方法

• 该研究采用六量子比特BBQ架构，配备七个可调耦合器，工作在跨接区域，具有强量子比特-耦合器耦合（80 MHz）和小失谐（~240 MHz非谐性）。
• 通过随机化基准测试评估两量子比特门保真度，测量在不同耦合器磁通偏置下的门错误率（EPG）。
• 通过独立调节非相互作用耦合器（C01）的磁通，测量目标门（如Q1-Q4）的保真度，揭示了对观测者耦合器偏置的强烈依赖性。
• 在门操作期间对观测者耦合器施加动态补偿脉冲，以在兰道-津恩跃迁中诱导相长干涉，最小化不必要的布居转移。
• 通过四组可变延迟的脉冲进行干涉测量，校准补偿脉冲的幅度和延迟，以确定共振相长干涉点。
• 该方法扩展至同时进行的两量子比特门（Q0-Q3 和 Q1-Q4），对C01和C34施加动态偏置以最小化观测者效应，同时考虑由此产生的相位偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在多量子比特可调耦合架构中，尽管单量子比特门性能最优，两量子比特门保真度仍会退化？
• RQ2 在BBQ架构中，哪些器件参数（如耦合器磁通偏置和量子比特失谐）对由残余耦合引起的观测者错误影响最大？
• RQ3 对可调耦合器实施动态磁通偏置能否缓解由残余耦合和条件相互作用引起的观测者错误？
• RQ4 在不进行硬件修改的前提下，基于软件的动态补偿脉冲能在多大程度上减少观测者错误？
• RQ5 观测者错误的条件性质如何影响并行两量子比特门操作的可扩展性和可靠性？

主要发现

• 单量子比特门保真度最优的耦合器磁通偏置（EPG ~0.064%）与最小化两量子比特门中观测者错误的偏置不同，表明静态偏置存在根本性矛盾。
• 在静态偏置下，两量子比特门EPG显著退化，当为单个门优化时达到0.3–0.8%，尽管单量子比特门保真度很高。
• 对观测者耦合器施加动态补偿脉冲，可在相长干涉点将观测者引起的布居转移减少高达90%，经干涉测量校准确认。
• 在同时进行的两量子比特门中应用动态偏置，可将保真度从85%（无补偿）提升至95%（有补偿），显示出明显的性能提升。
• 最大的残余错误是共振交换，可通过动态磁通脉冲有效缓解，尤其当量子比特失谐超过50 MHz时效果更佳。
• 对于失谐较低、存在强寄生耦合的器件，动态补偿是实现高保真度并行操作的必要手段，但可仅对少数量子比特对稀疏应用。