[论文解读] Tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fluxonium qubits

Ilya N. Moskalenko, Ilya S. Besedin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 30被引用 34

一句话总结

该论文提出了一种可调耦合方案，通过在半通量量子偏置下的基于fluxonium的耦合器，实现了固定频率fluxonium量子比特上的高保真度两量子比特门。该方案通过动态调节耦合器的通量实现iSWAP类门操作，在与现有transmon硬件兼容的平面片上架构中实现高门保真度，同时得益于更低的量子比特频率，降低了控制电子学的复杂性并增强了相干性。

ABSTRACT

The superconducting fluxonium circuit is an RF-SQUID-type flux qubit that uses a large inductance built from an array of Josephson junctions or a high kinetic inductance material. This inductance suppresses charge sensitivity exponentially and flux sensitivity quadratically. In contrast to the transmon qubit, the anharmonicity of fluxonium can be large and positive, allowing for better separation between the low energy qubit manifold of the circuit and higher-lying excited states. Here, we propose a tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fixed-frequency fluxonium qubits, biased at half flux quantum. In this system, both qubits and coupler are coupled capacitively and implemented as fluxonium circuits with an additional harmonic mode. We investigate the performance of the scheme by simulating a universal two-qubit fSim gate. In the proposed approach, we rely on a planar on-chip architecture for the whole device. Our design is compatible with existing hardware for transmon-based devices, with the additional advantage of lower qubit frequency facilitating high-precision gating.

研究动机与目标

• 开发一种用于固定频率fluxonium量子比特的可调耦合方案，以实现两量子比特门。
• 在与现有transmon硬件兼容的平面片上架构中实现高保真度两量子比特操作。
• 利用fluxonium量子比特的长相干时间（T1 > 200 µs），通过动态通量控制保持门保真度。
• 通过在亚吉赫兹频率下运行，降低控制电子学的复杂性。
• 通过优化耦合和调节协议，最小化两量子比特门中的泄漏和相干误差。

提出的方法

• 该方案使用三个fluxonium量子比特：两个计算量子比特和一个可调耦合器，全部实现为具有谐振模式的改进型fluxonium电路。
• 量子比特与耦合器通过电容耦合，相互作用强度通过调节耦合器的通量偏置来控制。
• 系统在通量简并点（Φx = Φ₀/2）运行，此时所有三个量子比特均近似共振，实现强XX型相互作用。
• 通过将耦合器调制通过其通量甜点，利用真空拉比循环实现类似iSWAP的fSim门。
• 哈密顿量使用正常模式坐标（ϑ+ 和 ϑ−）建模，其中谐振模式（ϑ+）与非线性fluxonium模式（ϑ−）通过电容和电感的不对称性耦合。
• 通过数值模拟评估在退相干、泄漏和相干误差下的门性能，参数源自实际电路设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为固定频率fluxonium量子比特设计一种可调耦合方案，以实现高保真度两量子比特门？
• RQ2 动态调节基于fluxonium的耦合器如何在平面架构中实现类似iSWAP的门操作？
• RQ3 在所提出的fSim门中，主要的误差源（退相干、泄漏、相干误差）是什么，如何减轻？
• RQ4 该方案在多大程度上与现有的基于transmon的控制硬件和基础设施兼容？
• RQ5 谐振模式的不对称性和非线性超电感对量子比特相干性和门保真度有何影响？

主要发现

• 所提出的方案实现了通用fSim门，其中θ = π/4且条件相位ϕ，通过动态调节耦合器的通量实现高保真度。
• 门通过将耦合器从上部通量甜点调制到下部通量甜点并返回完成，完成四分之一真空拉比循环。
• 系统由于电容和电感不对称性（5%相对不对称性）产生约χ = 23 MHz的反常位移，由于超电感非线性性产生χ = 0.5 MHz的反常位移。
• 热去相位被抑制，在10 mK下Tϕ > 1 s，归因于低谐振模式衰减率（κ = 0.01 MHz）和高χ值。
• 该设计与现有transmon硬件兼容，支持亚吉赫兹控制，降低了控制电子学的成本和复杂性。
• 该方案保持了低串扰，通量简并点处寄生ZZ串扰ζon_zz < 1 MHz，零通量偏置下有效耦合gxx ≈ 200 MHz。