[论文解读] Syncopated Dynamical Decoupling for Suppressing Crosstalk in Quantum Circuits

Bram Evert, Zoe Gonzalez Izquierdo+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新型技术——同步动力学解耦（SDD），通过应用时间延迟、频率加倍及算符交替的脉冲序列，有效抑制超导量子线路中的串扰。该方法同时缓解了单量子比特退相干，并选择性地消除静态ZZ型串扰，在Rigetti Aspen芯片上对QAOA电路的保真度实现了2.5倍的提升，实验上通过Ramsey干涉测量与优化脉冲序列得到验证。

ABSTRACT

Theoretically understanding and experimentally characterizing and modifying the underlying Hamiltonian of a quantum system is of utmost importance in achieving high-fidelity quantum gates for quantum computing. In this work, we explore the use of dynamical decoupling (DD) in characterizing and suppressing undesired two-qubit couplings as well as the underlying single-qubit decoherence, both significant hurdles to achieving precise quantum control and realizing quantum computing on many hardware prototypes. Through discrete search of dynamical decoupling sequences, we identify sequences that protect against decoherence and selectively target unwanted two-qubit interactions of general form. On a transmon-qubit-based superconducting quantum device, we identify separate white and 1/f noise components underlying the single-qubit decoherence and a static ZZ coupling between pairs of qubits. A family of syncopated dynamical decoupling sequences is found and their efficiency demonstrated in two-qubit benchmarking experiments. The syncopated decoupling technique significantly boosts performance in a realistic algorithmic quantum circuit.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，用于抑制超导量子处理器中的静态ZZ串扰。
• 通过统一的脉冲序列框架，实现在单量子比特退相干与两量子比特串扰上的同步防护。
• 提供一种精确的ZZ耦合强度表征方法，结合Ramsey测量与解耦序列。
• 将SDD与随机编译相结合，以增强算法型量子电路中的误差缓解效果。
• 在基于transmon的硬件平台上，展示SDD在真实量子算法（如QAOA）中的有效性。

提出的方法

• 提出一种同步动力学解耦（SDD）框架，结合时间延迟、频率加倍与算符交替，以抑制已知的两体串扰。
• 采用超算符表示的离散优化方法，识别出抑制ZZ型相互作用的最优SDD序列。
• 利用初始态|++⟩的Ramsey干涉测量，通过⟨Z⟩可观测量中的振荡模式检测并量化ZZ耦合。
• 在量子交替算符试探（QAOA）电路中，对空闲量子比特应用SDD序列，以在空闲期间抑制串扰。
• 在配备固定频率transmon量子比特的Rigetti Aspen芯片上，通过偏置频率与振荡频率测量，实验验证了该方法。
• 将SDD与随机编译结合，实现在大规模量子电路中联合误差缓解的增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 同步动力学解耦能否在保持单量子比特相干性的同时，有效抑制超导量子处理器中的静态ZZ串扰？
• RQ2 与标准校准方法相比，基于SDD的Ramsey测量在表征ZZ耦合强度方面有多高的准确性？
• RQ3 在真实硬件平台上，对QAOA电路中的空闲量子比特应用SDD能带来多大的性能提升？
• RQ4 能否通过超算符表示的离散优化框架系统性地设计SDD序列？
• RQ5 将SDD与随机编译结合，如何增强算法型量子电路中的误差缓解效果？

主要发现

• SDD序列成功抑制了量子比特101与102之间的ZZ耦合，消除了Ramsey干涉测量中特征性的振荡模式，测得耦合强度为g = 11.42 ± 0.17 MHz。
• 通过SDD实现的Ramsey干涉测量获得的ZZ耦合强度（11.42 MHz）与基于两量子比特门物理的独立测量结果（12.42 MHz）高度一致，验证了该方法的准确性。
• 在QAOA电路中对空闲量子比特应用SDD，使电路保真度相比未校正执行提升了2.5倍。
• 该方法通过将ZZ耦合效应与环境噪声分离，实现了对本征量子比特频率的精确测量，为标准硬件报告频率提供了一种校准替代方案。
• SDD序列仍保持抑制单量子比特退相干的能力，测得量子比特102的白噪声与1/f噪声分量分别为3.1 kHz与27.7 kHz。
• SDD与随机编译的结合提供了一种可扩展的联合误差缓解策略，其性能超越了单一方法的提升效果。