[论文解读] Tunable three-body coupler for superconducting flux qubits

Denis Melanson, Antonio Martinez+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于通量任意子的超导三体耦合器，可实现强耦合、可调谐的ZZZ相互作用，同时近乎完全抑制不必要的两体项。通过使用两个耦合的可调谐rf-SQUID，该设计实现了对噪声不敏感的鲁棒三量子比特纠缠，适用于量子退火和高阶量子模拟。

ABSTRACT

The implementation of many-body interactions is relevant in various areas of quantum information. We present a superconducting device that implements a strong and tunable three-body interaction between superconducting quantum bits, with vanishing two-body interactions and robustness against noise and circuit parameter variations. These properties are confirmed by calculations based on the Born-Oppenheimer approximation, a two-level model for the coupling circuit, and numerical diagonalization. This circuit behaves as an ideal computational basis ZZZ coupler in a simulated three-qubit quantum annealing experiment. This work will be relevant for advanced quantum annealing protocols and future developments of high-order many-body interactions in quantum computers and simulators.

研究动机与目标

• 设计一种超导耦合器，可在通量任意子之间实现强耦合、可调谐的三体相互作用，同时抑制低阶两体相互作用。
• 在低复杂度电路架构下，实现对通量噪声和制造偏差的鲁棒性。
• 实现高阶相互作用在量子退火和量子模拟平台中的实际应用。
• 通过将任意子对称耦合至双rf-SQUID电路，实现两体项的有效抵消。
• 通过Born-Oppenheimer近似、两能级模型和数值对角化验证耦合器的性能。

提出的方法

• 该耦合器使用两个可调谐rf-SQUID（c1和c2），每个均包含一个主回路和一个次级约瑟夫森结回路，通过可控的磁敏感率介导相互作用。
• 任意子q1以相等但相反的磁通贡献耦合至c1和c2，从而实现q1与q2之间两体项的相消干涉。
• 任意子q3对称耦合至耦合器的两条支路，确保q3与q1、q2之间两体项的抵消。
• 三体相互作用强度 $ J_{123} $ 通过调节rf-SQUID主回路和次级回路的外部磁通偏置进行调控。
• 采用Born-Oppenheimer近似建模耦合动力学，数值对角化用于验证有效哈密顿量。
• 对任意子能级尺度和耦合器参数进行重整化，以考虑耦合器磁敏感率的影响，确保准确映射至退火哈密顿量。

实验结果

研究问题

• RQ1 低复杂度的超导电路能否实现通量任意子之间强耦合、可调谐的三体相互作用，且两体项可忽略？
• RQ2 通过将任意子对称耦合至双rf-SQUID电路，两体相互作用的抵消效果如何？
• RQ3 在实际器件参数下，三体耦合对通量噪声和制造偏差的鲁棒性如何？
• RQ4 在量子退火背景下，该耦合器能否在真实噪声和参数波动下维持高保真度的ZZZ相互作用？
• RQ5 在环境噪声和设计缺陷存在的情况下，三体耦合强度的可调性和稳定性如何？

主要发现

• 三体耦合强度 $ J_{123} $ 达到0.915 GHz，与典型任意子能级分裂相当，可实现强纠缠相互作用。
• 两体相互作用被抑制至10 MHz以下，$ \tilde{J}_{12}, \tilde{J}_{13}, \tilde{J}_{23} $ 均低于0.015 GHz，证实了有效抵消。
• 通量噪声导致局部场的标准差最高达0.102 GHz，但三体耦合保持稳定，仅产生0.3 GHz的标准差。
• 制造偏差在标称值的3%以内时，对耦合强度和两体项抵消影响极小，通过成功优化偏置点可保持近乎零的两体项。
• 数值模拟证实，在三量子比特量子退火实验中，该耦合器表现出理想ZZZ耦合器的行为，验证了其功能保真度。
• 该耦合器在多种噪声和参数变化场景下均保持鲁棒性，展示了其在可扩展量子退火和量子模拟中的实际可行性。