Above 99.9% Fidelity Single-Qubit Gates, Two-Qubit Gates, and Readout in a Single Superconducting Quantum Device

Riepilogo Tecnico: Porte a Singolo Qubit, Porte a Due Qubit e Lettura con Fedeltà Superiore al 99,9% in un Singolo Dispositivo a Superconduttori

Enunciato del Problema
La costruzione di computer quantistici scalabili e tolleranti ai guasti richiede bassi tassi di errore su tutte le operazioni fondamentali: porte a singolo qubit, porte a due qubit e lettura dei qubit. Sebbene le fedeltà individuali per queste operazioni siano migliorate significativamente nei sistemi transmon superconduttori, raggiungere un'alta fedeltà simultanea in un singolo dispositivo rimane una sfida maggiore. I parametri del dispositivo ottimizzati per un'operazione spesso degradano le altre. Nello specifico, un accoppiamento forte tra qubit e accoppiatore facilita porte di entanglement rapide ma aumenta la diafonia indotta dall'ibridazione, degradando le fedeltà delle porte a singolo qubit simultanee. Analogamente, integrare una lettura ad alta fedeltà senza compromettere la coerenza del qubit o le prestazioni delle porte richiede attenti compromessi architetturali.

Metodologia
Gli autori presentano una strategia di ottimizzazione olistica per un dispositivo superconduttore composto da due qubit transmon galleggianti sintonizzabili in flusso, accoppiati tramite un accoppiatore transmon galleggiante sintonizzabile. L'approccio si basa su tre pilastri principali:

1. Accoppiamento Ottimale Qubit-Accoppiatore: Tramite simulazioni numeriche utilizzando equazioni master e modelli di oscillatori di Duffing a tre livelli, gli autori hanno analizzato il compromesso tra errori a singolo qubit (dominati dalla diafonia da ibridazione) ed errori a due qubit (dominati dalla fuoriuscita e dai processi incoerenti). Hanno identificato una specifica forza di accoppiamento qubit-accoppiatore ($g_{qc}$) che minimizza l'errore totale ponderato delle porte di Clifford. Il dispositivo fabbricato mira a un accoppiamento geometrico medio di $g_{qc}/2\pi = 66$ MHz, bilanciando la necessità di porte rapide con la diafonia.
2. Protocollo PALEA per la Calibrazione delle Porte: Per affrontare la difficoltà di calibrare gli errori di fuoriuscita nel sottospazio $\{|11\rangle, |02\rangle\}$, gli autori hanno introdotto il protocollo Phase-Averaged Leakage Error Amplification (PALEA). A differenza delle protocolli standard di amplificazione degli errori o MEADD che richiedono un controllo di fase preciso o sono suscettibili a interferenze da altri modi di fuoriuscita (ad esempio verso l'accoppiatore), PALEA impiega un livello di disaccoppiamento dinamico e media su differenze di fase casuali. Questo isola l'angolo di sovrarotazione ($\theta$) che governa il trasferimento di popolazione allo stato $|02\rangle$, consentendo un'estrazione del segnale ad alto contrasto e una calibrazione precisa della porta condizionale-Z (CZ) senza necessità di controllare la fase dell'impulso di guida del qubit ad ogni ripetizione.
3. Architettura e Ottimizzazione della Lettura: Il dispositivo utilizza un risonatore di lettura dedicato e un filtro Purcell per ciascun qubit per sopprimere l'emissione spontanea e la guida fuori risonanza. L'alta fedeltà di lettura è ottenuta utilizzando una tecnica di "shelving" (trasferimento dello stato $|e\rangle$ allo stato $|f\rangle$ tramite un impulso $X_{12}^\pi$) combinata con un amplificatore parametrico a onda viaggiante (TWPA). Inoltre, una configurazione di lettura senza "shelving" è stata ottimizzata specificamente per le prestazioni di Misura Quantistica Non Distruttiva (QND).

Risultati Chiave
Gli autori riportano prestazioni ad alta fedeltà simultanea su tutte le operazioni fondamentali in un singolo dispositivo:

• Porte a Due Qubit: Una fedeltà della porta CZ mediata su 40 ore del 99,93% (errore $\approx 6.5 \times 10^{-4}$). Il bilancio degli errori indica che gli errori incoerenti e la fuoriuscita verso il secondo stato eccitato sono i contributi dominanti, con errori coerenti efficacemente soppressi.
• Porte a Singolo Qubit: Fedeltà delle porte a singolo qubit simultanee superiori al 99,98% (errore $\approx 1.6 \times 10^{-4}$). La fonte di errore dominante è il rilassamento incoerente, con diafonia da ibridazione e fuoriuscita trascurabili.
• Lettura: Fedeltà di lettura simultanea superiori al 99,94% per entrambi i qubit utilizzando la configurazione con "shelving".
• Prestazioni QND: Una lettura ottimizzata per QND (senza "shelving") ha raggiunto una "QNDness" del 99,3%, dimostrando la capacità di scambiare fedeltà di lettura con la preservazione dello stato.
• Errore a Livello di Sistema: Il bilancio totale degli errori a livello di sistema è stimato a $2.1 \times 10^{-3}$, avvicinandosi alle soglie richieste per la scalabilità efficiente dei codici di correzione degli errori quantistici.

Significato e Affermazioni
Il documento afferma di dimostrare una via praticabile verso la scalabilità dei processori quantistici superconduttori mantenendo fedeltà costantemente elevate su tutte le operazioni fondamentali. I contributi chiave includono:

• Ottimizzazione Olistica: Dimostrare che un'attenta sintonizzazione delle forze di accoppiamento può risolvere i tradizionali compromessi tra velocità delle porte, diafonia e fedeltà di lettura.
• Scalabilità: L'architettura qubit-accoppiatore dimostrata è naturalmente estendibile a layout a griglia quadrata 2D (necessari per le implementazioni del codice di superficie) accoppiando ciascun qubit a quattro accoppiatori indipendenti senza alterare significativamente i parametri del dispositivo. Il layout del chip supporta filtri Purcell dedicati su un singolo strato, evitando una fabbricazione multistrato complessa.
• Avanzamento nella Calibrazione: Il protocollo PALEA fornisce un metodo robusto ed efficiente per calibrare gli errori di fuoriuscita, riducendo la fuoriuscita di almeno un fattore due rispetto ai metodi standard e consentendo una caratterizzazione precisa degli errori coerenti.
• Bilancio degli Errori: Il lavoro fornisce un bilancio degli errori completo che districa le componenti incoerenti, coerenti e di fuoriuscita, mostrando che il sistema si sta avvicinando ai tassi di errore necessari per il calcolo quantistico tollerante ai guasti.

Gli autori sottolineano che i loro risultati rappresentano un passo verso fedeltà uniformemente elevate nelle piattaforme superconduttori scalabili, avvicinando la realtà del calcolo quantistico tollerante ai guasti.