[论文解读] Suppression of static ZZ interaction in an all-transmon quantum processor

Peng Zhao, Dong Lan+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 27被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种通过三量子比特架构中可调耦合器实现量子干涉，以抑制全Transmon超导量子处理器中静态$ZZ$相互作用的方法。通过调节耦合器频率和耦合强度，作者实现了$ZZ$耦合被大幅抑制而$XY$相互作用仍保持较强的参数区域，从而实现了保真度超过99.98%的高保真度iSWAP门，条件相位误差低于0.003弧度。

ABSTRACT

The superconducting transmon qubit is currently a leading qubit modality for quantum computing, but gate performance in quantum processor with transmons is often insufficient to support running complex algorithms for practical applications. It is thus highly desirable to further improve gate performance. Due to the weak anharmonicity of transmon, a static ZZ interaction between coupled transmons commonly exists, undermining the gate performance, and in long term, it can become performance limiting. Here we theoretically explore a previously unexplored parameter region in an all-transmon system to address this issue. We show that an feasible parameter region, where the ZZ interaction is heavily suppressed while leaving XY interaction with an adequate strength to implement two-qubit gates, can be found for all-transmon systems. Thus, two-qubit gates, such as cross-resonance gate or iSWAP gate, can be realized without the detrimental effect from static ZZ interaction. To illustrate this, we demonstrate that an iSWAP gate with fast gate speed and dramatically lower conditional phase error can be achieved. Scaling up to large-scale transmon quantum processor, especially the cases with fixed coupling, addressing error, idling error, and crosstalk that arises from static ZZ interaction could also be strongly suppressed.

研究动机与目标

• 解决全Transmon超导量子处理器中静态$ZZ$相互作用这一性能限制问题。
• 克服在不牺牲实现两量子比特门所需的$XY$相互作用强度的前提下抑制$ZZ$耦合的挑战。
• 通过识别$ZZ$耦合最小化的可行参数区域，实现高保真度两量子比特门（如iSWAP门和交叉共振门）。
• 证明通过抑制$ZZ$相互作用，固定耦合的Transmon架构可实现更低串扰、更低空闲错误和更低地址错误。

提出的方法

• 设计一个由两个Transmon通过包含电容和辅助Transmon的耦合电路连接的三量子比特系统。
• 将系统建模为三个耦合的弱非谐振子，使用包含Transmon能级、非谐性及耦合项的哈密顿量。
• 应用微扰理论，推导出$XY$耦合$J$和静态$ZZ$耦合$\zeta$关于耦合强度$g_{1c}, g_{2c}$及频率失谐的表达式。
• 利用对称性与虚跃迁之间的量子干涉，在$(\omega_c, g_{12})$空间中识别出$\zeta \approx 0$但$J$仍显著的参数区域。
• 通过调制耦合器和目标Transmon频率的高斯平顶脉冲实现非绝热iSWAP门，保持交换和泄漏通道之间的同步。
• 在色散和准色散两种工作区域下运行系统，以验证在不同耦合条件下系统的鲁棒性与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不关闭量子比特间耦合的情况下，在全Transmon系统中抑制静态$ZZ$相互作用？
• RQ2 是否存在一个参数区域，使得$ZZ$耦合被最小化，同时$XY$耦合仍足够强以实现高保真度两量子比特门？
• RQ3 是否可以通过工程化不同虚跃迁路径之间的量子干涉，选择性地抑制$ZZ$耦合，同时保持$XY$相互作用？
• RQ4 在这种参数区域内，可实现的门保真度和误差率是多少，特别是对于iSWAP门？
• RQ5 在固定耦合的Transmon架构中，$ZZ$耦合的抑制是否能降低串扰、空闲错误和地址错误？

主要发现

• 在$(\omega_c, g_{12})$空间中存在一个可行的参数区域，使得静态$ZZ$耦合被大幅抑制，而$XY$耦合仍足够强以实现两量子比特门。
• 在色散区域（$\omega_c/2\pi \approx 7.79$ GHz）中，实现了保真度为99.994%、泄漏低于0.006%的iSWAP门，保持时间为57 ns。
• 在准色散区域（$\omega_c/2\pi \approx 7.04$ GHz）中，实现了保真度高于99.988%、泄漏低于0.012%的iSWAP门，保持时间为14.3 ns。
• 条件相位误差$\delta_\theta$在色散区域中低于0.001弧度，在准色散区域中低于0.003弧度，证实了$ZZ$相互作用的强烈抑制。
• $ZZ$耦合的抑制归因于涉及不同中间态的多种虚跃迁路径之间的量子干涉，实现了选择性抵消。
• 所提出的方法通过消除主导的$ZZ$诱导退相干通道，显著降低了固定耦合Transmon处理器中的串扰、空闲错误和地址错误。