High-Precision Calibration Workflow Achieves Above $99.9\%$ CZ Gate Fidelity on a Scalable Superconducting Processor

Resumen Técnico: Flujo de Trabajo de Calibración de Alta Precisión para Puertas CZ en un Procesador Superconductor Escalable

Planteamiento del Problema
La realización de la computación cuántica tolerante a fallos requiere qubits físicos con tasas de error de puerta cercanas al 0,1%. Aunque se han demostrado puertas CZ de alta fidelidad en muestras superconductoras aisladas, el escalado de estos sistemas introduce desafíos significativos. A medida que el tamaño del chip y la densidad de qubits aumentan, los tiempos de coherencia se degradan debido a defectos de sistemas de dos niveles (TLS) y canales de despolarización provenientes de las líneas de control. Estos factores incrementan los errores incoherentes, reduciendo así el presupuesto de error disponible para los errores coherentes (aquellos derivados de desviaciones de parámetros). En procesadores escalables, la tolerancia para los errores coherentes es menor, lo que exige flujos de trabajo de calibración altamente precisos para suprimir estos errores y alcanzar fidelidades de puerta adecuadas para la corrección de errores cuánticos (QEC).

Metodología
Los autores desarrollaron un flujo de trabajo de calibración de bucle cerrado diseñado para mejorar la precisión de la calibración de la puerta CZ en el procesador "Shenglian", un sistema de 84 qubits compuesto por qubits transmon sintonizables y acopladores. El flujo de trabajo integra tres técnicas específicas de circuitos aplicadas iterativamente:

1. Amplificación de Error Estándar (SEA): Utilizada para amplificar los errores de puerta y medir las fases condicionales acumuladas.
2. Amplificación de Error de Fuga con Eco (ELEA): Adaptada del circuito de Amplificación de Error de Fuga con Promedio de Fase (PALEA), esta técnica se dirige específicamente a amplificar la fuga de población hacia estados no computacionales (específicamente $|02\rangle$).
3. Estimación de Fidelidad Consciente del Contexto (CAFE) Reutilizada: Utilizada para estimar la fidelidad mientras se caracteriza la fuga, reemplazando los escaneos tradicionales de amplitud de pulso de flujo con mediciones de población de estados específicos.

El proceso de calibración sigue una secuencia estructurada:

• Inicialización: Las distorsiones de tiempo y de flujo se compensan mediante filtros de respuesta al impulso infinita. Las frecuencias de reposo de los qubits se reorganizan para evitar colisiones de frecuencia y optimizar la coherencia.
• Calibración Gruesa e Intermedia: El flujo de trabajo escanea las amplitudes de los pulsos de flujo ($A_1, A_2, A_c$) utilizando SEA y ELEA. El circuito ELEA se emplea para ajustar iterativamente las amplitudes hasta que la fuga se minimiza y los parámetros convergen.
• Calibración Fina: El circuito CAFE se utiliza para caracterizar con precisión la población del estado $|02\rangle$, lo que permite optimizar la amplitud de flujo del acoplador ($A_c$) sin un escaneo directo de flujo.
• Bucle Automatizado: Si la fidelidad de la puerta CZ cae por debajo de un umbral ($F_{th,CZ}$), el sistema actualiza la configuración de frecuencia y repite los pasos de calibración. Las fases de un solo qubit se compensan mediante puertas Z virtuales.

Resultos Clave

• Fidelidad Récord: El flujo de trabajo logró una fidelidad máxima de la puerta CZ de 99,92 ± 0,01% en un par de qubits específico. El error coherente para esta puerta se suprimió al 0,007%, siendo el error restante dominado por procesos incoherentes.
• Escalabilidad: El método se generalizó a 72 puertas CZ paralelas en el procesador de 84 qubits, obteniendo una fidelidad mediana del 99,25%.
• Desglose de Errores: El análisis mediante CAFE y benchmarking de aleatorización intercalada (IRB) reveló que, para la puerta con mejor rendimiento, el presupuesto de error consistió en aproximadamente un 0,079% de error incoherente (incluyendo fuga < 0,001%) y un 0,007% de error coherente.
• Estabilidad: Un experimento de monitoreo de 18 horas (9 horas bajo calibración automatizada frente a 9 horas sin ella) demostró que la calibración automatizada mejora significamente la estabilidad de las puertas. Para los qubits propensos a fluctuaciones ambientales, la calibración automatizada redujo las tasas de error promedio de ~1,5% a ~0,5%.
• Correlaciones: El estudio identificó una correlación entre las tasas de error de la puerta CZ y las tasas de error de las puertas de un solo qubit, ambas vinculadas a tiempos de desfasaje cortos ($T_2^{XY8}$).

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma establecer una ruta eficiente y automatizada hacia la computación de alto rendimiento utilizando sistemas superconductores. Al demostrar que un flujo de trabajo de bucle cerrado que utiliza ELEA y CAFE puede suprimir los errores coherentes al nivel del 0,007% en una plataforma de gran escala (84 qubits) de fabricación nacional, los autores muestran que la fidelidad requerida para la QEC tolerante a fallos es alcanzable incluso en presencia de los errores incoherentes inherentes a los chips escalables. Este trabajo destaca que la calibración automatizada no es meramente una conveniencia, sino una necesidad para mantener un alto rendimiento en procesadores escalables donde las derivas ambientales son significativas. Los resultados sugieren que, con una mayor optimización de las formas de los pulsos y las frecuencias de interacción, se pueden alcanzar fidelidades aún más altas y puertas más rápidas, allanando el camino para la computación cuántica práctica y tolerante a fallos.