[论文解读] Tunable inductive coupler for high fidelity gates between fluxonium qubits

Helin Zhang, Chunyang Ding+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science被引用 3

一句话总结

本文提出一种可调谐电感耦合器，通过实现强而可控的XX耦合（−35至75 MHz）并最小化ZZ串扰（<3 kHz），在重通量任意子比特之间实现了高保真度的两比特门。该耦合器在102 ns内实现99.91%保真度的√bSWAP门，且在20小时以上的运行时间内保持稳定性能，展示了可扩展量子计算所必需的高保真度、高速操作特性。

ABSTRACT

The fluxonium qubit is a promising candidate for quantum computation due to its long coherence times and large anharmonicity. We present a tunable coupler that realizes strong inductive coupling between two heavy-fluxonium qubits, each with $\sim50$MHz frequencies and $\sim5$ GHz anharmonicities. The coupler enables the qubits to have a large tuning range of $ extit{XX}$ coupling strengths ($-35$ to $75$ MHz). The $ extit{ZZ}$ coupling strength is $&lt;3$kHz across the entire coupler bias range, and $&lt;100$Hz at the coupler off-position. These qualities lead to fast, high-fidelity single- and two-qubit gates. By driving at the difference frequency of the two qubits, we realize a $\sqrt{i\mathrm{SWAP}}$ gate in $258$ns with fidelity $99.72\%$, and by driving at the sum frequency of the two qubits, we achieve a $\sqrt{b\mathrm{SWAP}}$ gate in $102$ns with fidelity $99.91\%$. This latter gate is only 5 qubit Larmor periods in length. We run cross-entropy benchmarking for over $20$ consecutive hours and measure stable gate fidelities, with $\sqrt{b\mathrm{SWAP}}$ drift ($2 σ$) $&lt; 0.02\%$ and $\sqrt{i\mathrm{SWAP}}$ drift $&lt; 0.08\%$.

研究动机与目标

• 开发一种可调谐电感耦合器，以实现在低频通量任意子比特之间的高保真度两比特门。
• 最小化不必要的ZZ耦合，以保持门保真度并避免波函数泄漏出计算子空间。
• 通过利用强而可控的XX耦合，实现快速、高保真的单比特与两比特门。
• 通过长时间运行验证门性能的稳定性，以证明其可扩展性潜力。
• 在不激发计算子空间外的高能级态的前提下，实现高保真度纠缠门。

提出的方法

• 基于一个小型约瑟夫森结和一段短阵列的大结，实现一种可调谐电感耦合器，从而在两个重通量任意子比特之间实现磁通调制的电感耦合。
• 通过调节耦合器的磁通偏置，将XX耦合强度从−35 MHz调制至75 MHz，实现快速门操作。
• 设计耦合器使其在关闭位置时可同时关闭XX和ZZ耦合，从而支持单比特门操作。
• 在频率差|ω_b − ω_a|处驱动系统以实现√iSWAP门，在频率和ω_b + ω_a处驱动以实现√bSWAP门。
• 应用旋转波近似（RWA）推导有效哈密顿量，分离出所需的XX相互作用并最小化非期望项。
• 使用林德布拉德主方程的数值模拟来建模退相干效应，并量化由弛豫、退相及串扰引起的误差贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 可调谐电感耦合器是否能在低频通量任意子比特之间实现强而可控的XX耦合，同时抑制ZZ串扰？
• RQ2 该电感耦合方案在两比特纠缠门中可实现的门保真度与速度是多少？
• RQ3 门保真度在长时间运行下的稳定性如何？其主要误差来源是什么？
• RQ4 该耦合器是否能在不激发计算子空间外高能级态的前提下实现高保真度门？
• RQ5 RF磁通串扰和载波包络相位变化等因素如何影响门保真度？是否可被抑制？

主要发现

• 可调谐电感耦合器实现了从−35 MHz到75 MHz的宽范围XX耦合，支持快速两比特门操作。
• 在整个耦合器偏置范围内，ZZ耦合被抑制至<3 kHz，且在耦合器关闭位置时低于100 Hz，显著降低了非期望相互作用。
• 在102 ns内实现√bSWAP门，保真度达99.91%，仅对应5个量子比特拉莫尔周期。
• 在258 ns内实现√iSWAP门，保真度为99.72%，证明了在差频驱动下仍能实现高保真度操作。
• 超过20小时的交叉熵基准测试显示漂移极小：√bSWAP漂移<0.02%（2σ），√iSWAP漂移<0.08%（2σ），表明具有长期稳定性。
• 退相干是主要误差来源，贡献了总保真度损失的一半左右，数值模拟结果与理论估算高度一致。