Development of filter circuit for suppressing residual interaction between superconducting qubits

开发用于抑制超导量子位之间残余相互作用的滤波器电路

• 批准号: 21J15221
• 负责人: 部谷 謙太郎
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J15221/
• 关键词: 量子計算機工学; 超伝導量子ビット; マイクロ波工学; 量子情報; 量子制御

極低温環境で量子化した超伝導回路からなる超伝導量子ビットは、高い設計自由度から現在最も有望な量子情報処理デバイスの一つとされる。近年、量子計算機の実現に向け、高品質な量子制御が可能な超伝導量子ビット集積回路の開発が希求されている。しかし一方で、ノイズ源となりうる外部磁束入力線を用いた制御自由度を伴わない場合、量子ビット間もつれゲート実行速度ともつれゲート非実行時の残留相互作用強度との間にトレードオフ関係があることが知られている。そこで本研究課題では、超伝導量子ビット集積系において、外部磁束入力線を用いずに、もつれゲートの実行速度を担保しつつ、もつれゲート非実行時の量子ビット間における残留相互作用を抑制することを目指す。残留相互作用の抑制方としては、超伝導量子ビット間のもつれゲートを駆動するマイクロ波パルスの実装方式を工夫するものと、超伝導量子ビット間の結合を仲介する回路素子の構造を工夫するものとに分け、個別に取り組むこととした。前者の方式については、残留相互作用抑制法として近年提案されたRotary tone法、SiZZle法を国内で初めて実機上で追実装し、性能の比較検討を行った。いずれの手法においても実装に成功し、64量子ビット集積回路上において量子ビット間残留相互作用 (~ -180 kHz) を完全に相殺することに成功し、忠実度0.99を超えるもつれゲートの実装に成功した。後者の方式については、intrinsic Purcell filter と呼ばれる回路素子を量子ビットと制御線の間に構築することで、超伝導量子ビットの外部環境への結合レートに強い周波数依存性を持たせることで、量子ビット間残留相互作用を生み出す不要な遷移に選択的に強い緩和を加えることで、量子ゼノ効果で残留相互作用を抑制する回路構造について、設計の検討を行い、数値計算上で動作を確認した。

超导量子位由在极低温环境下量子化的超导电路组成，由于其高度的设计自由度，目前被认为是最有前途的量子信息处理器件之一。近年来，以实现量子计算机为目标，人们渴望开发能够进行高质量量子控制的超导量子位集成电路。然而，另一方面，当使用可能成为噪声源的外部磁通量输入线没有控制自由度时，量子位间纠缠门的执行速度和剩余相互作用强度之间存在权衡当纠缠门未执行时。因此，在这个研究项目中，我们的目标是在不使用外部磁通输入线的情况下，在保证超导量子位集成系统中纠缠门的执行速度的同时，抑制不执行纠缠门时量子位之间的残余相互作用。通过设计驱动超导量子位之间纠缠门的微波脉冲的实现方法，以及通过设计调解超导量子位之间耦合的电路元件的结构，可以抑制残余相互作用。我们决定将它们分成两部分并解决。他们单独。对于前一种方法，我们在日本首次在实际机器上实现了近年来提出的Rotarytone方法和SiZZle方法，作为残余相互作用抑制方法，并比较了它们的性能。两种方法均成功实现，并在 64 量子位集成电路上成功消除了量子位之间的残余相互作用（~-180 kHz），并成功实现了保真度超过 0.99 的纠缠门。对于后一种方法，通过在量子位和控制线之间构建称为本征珀塞尔滤波器的电路元件，使超导量子位与外部环境的耦合率具有很强的频率依赖性，我们设计了抑制这种现象的电路结构。利用量子芝诺效应，选择性地对产生比特之间残留相互作用的不必要的跃迁应用强弛豫，研究残留相互作用，并通过数值计算确认其操作。