[论文解读] Tunable Coupling Architecture for Fixed-frequency Transmons

J. Stehlik, D. M. Zajac+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出一种可调耦合器架构——'qubit下方总线'（BBQ）——适用于固定频率 transmon 量子比特，通过将可调总线频率置于量子比特频率之下，实现了高保真度的两量子比特门。BBQ 设计实现了最高 99.85% 的门保真度（每门误差：0.0015 ± 0.0001），并在 24 小时内表现出稳定的校准，克服了以往可调总线方案在泄漏和绝热性方面的限制。

ABSTRACT

Implementation of high-fidelity two-qubit operations is a key ingredient for scalable quantum error correction. In superconducting qubit architectures tunable buses have been explored as a means to higher fidelity gates. However, these buses introduce new pathways for leakage. Here we present a modified tunable bus architecture appropriate for fixed-frequency qubits in which the adiabaticity restrictions on gate speed are reduced. We characterize this coupler on a range of two-qubit devices achieving a maximum gate fidelity of $99.85\%$. We further show the calibration is stable over one day.

研究动机与目标

• 开发一种与固定频率 transmon 量子比特兼容的可调耦合器架构，以实现高保真度的两量子比特门。
• 解决固定频率架构中始终开启耦合和泄漏带来的限制。
• 通过将可调总线置于量子比特频率之下，降低对门速度的绝热性约束。
• 在可扩展的量子计算框架中实现高保真度、稳定且可重复的两量子比特操作。

提出的方法

• 设计一种总线频率低于量子比特频率的可调耦合器（BBQ 架构），反转传统的'总线高于量子比特'（BAQ）布局。
• 在 transmon 等效岛之间引入旁路电容，以调节有效耦合，并在总线最佳工作点实现 ZZ 相互作用的零点。
• 利用可调总线通过磁通调节动态控制量子比特之间的有效耦合，实现纠缠的开关控制。
• 对低失谐配对实施双脉冲序列，通过干涉控制抵消不必要的 iSWAP 相互作用。
• 使用包含 transmon 项、非谐性及可调耦合的哈密顿量对系统建模，推导出有效交换相互作用 $ J_{\rm tot} \approx J_{\rm bus} + g_{\rm Q1,Q2} $。
• 使用随机基准测试校准门操作，并测量 11 个两量子比特器件的门保真度、退相干时间及每门误差（EPG）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为固定频率 transmon 量子比特设计一种可调耦合器架构，在无需调节量子比特频率的情况下实现高保真度的两量子比特门？
• RQ2 将可调总线置于量子比特频率之下（BBQ）相比传统的 BAQ 设计，如何提升门保真度和稳定性？
• RQ3 低量子比特-量子比特失谐对门保真度有何影响？残余的 iSWAP 相互作用如何被抵消？
• RQ4 在真实量子处理器中，该可调耦合器的校准能否在长时间（例如一天）内保持稳定？
• RQ5 在 BBQ 架构中，耦合强度、门持续时间与每门误差之间存在何种权衡？

主要发现

• BBQ 架构实现了最高 99.85% 的两量子比特门保真度，对应每门误差（EPG）为 $ 0.0015 \pm 0.0001 $，门持续时间为 46 ns。
• 在 11 个表征的两量子比特器件中，更高的耦合强度（$ g_{Q,bus}/2\pi = 110 $ MHz）带来了更快且更可靠的门操作，其中五对中的三对实现了 EPG < 0.002。
• 对磁通可调耦合器的最优校准在 24 小时以上保持稳定，门保真度和误差率未观察到显著漂移。
• 对于低失谐配对（9 MHz），采用双脉冲序列抵消了不必要的 iSWAP 相互作用，实现了 EPG $ 0.006 \pm 0.002 $，门持续时间为 110 ns。
• BBQ 设计实现了开启与关闭状态之间的平滑过渡，显著降低了绝热性约束，使门操作更快且更具鲁棒性。
• 该方案在不同失谐和耦合强度下均保持高性能，展现出良好的可重复性与可扩展性潜力。