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

Sintesi Tecnica: Flusso di Lavoro per la Calibrazione ad Alta Precisione dei Gate CZ su un Processore Superconduttore Scalabile

Definizione del Problema
La realizzazione di un calcolo quantistico tollerante ai guasti richiede qubit fisici con tassi di errore dei gate prossimi allo 0,1%. Sebbene siano stati dimostrati gate CZ ad alta fedeltà su campioni superconduttori isolati, la scalabilità di questi sistemi introduce sfide significative. Man mano che le dimensioni del chip e la densità dei qubit aumentano, i tempi di coerenza degradano a causa dei difetti a due livelli (TLS) e dei canali di depolarizzazione provenienti dalle linee di controllo. Questi fattori aumentano gli errori incoerenti, restringendo di conseguenza il budget di errore disponibile per gli errori coerenti (quelli derivanti da deviazioni dei parametri). Nei processori scalabili, la tolleranza per gli errori coerenti è ridotta, rendendo necessari flussi di lavoro di calibrazione altamente precisi per sopprimere tali errori e raggiungere la fedeltà dei gate necessaria per la correzione degli errori quantistici (QEC).

Metodologia
Gli autori hanno sviluppato un flusso di lavoro di calibrazione a ciclo chiuso progettato per migliorare la precisione della calibrazione del gate CZ sul processore "Shenglian", un sistema a 84 qubit composto da qubit transmon regolabili e accoppiatori. Il flusso di lavoro integra tre specifiche tecniche di circuito applicate iterativamente:

1. Standard Error Amplification (SEA): Utilizzata per amplificare gli errori di gate e misurare le fasi condizionali accumulate.
2. Echoed Leakage Error Amplification (ELEA): Adattata dal circuito Phase-Averaged Leakage Error Amplification (PALEA), questa tecnica mira specificamente e amplifica la perdita di popolazione verso stati non computazionali (specificamente lo stato $|02\rangle$).
3. Repurposed Context-Aware Fidelity Estimation (CAFE): Utilizzata per stimare la fedeltà caratterizzando al contempo la perdita (leakage), sostituendo le tradizionali scansioni dell'ampiezza dell'impulso di flusso con misurazioni della popolazione di stati specifici.

Il processo di calibrazione segue una sequenza strutturata:

• Inizializzazione: I tempi e le distorsioni di flusso vengono compensati utilizzando filtri a risposta impulsiva infinita (IIR). Le frequenze di riposo dei qubit vengono riorganizzate per evitare collisioni di frequenza e ottimizzare la coerenza.
• Calibrazione Grossolana e Intermedia: Il flusso di lavoro scansiona le ampiezze degli impulsi di flusso ($A_1, A_2, A_c$) utilizzando SEA ed ELEA. Il circuito ELEA viene impiegato per regolare iterativamente le ampiezze finché la perdita non viene minimizzata e i parametri non convergono.
• Calibrazione Fine: Il circuito CAFE viene utilizzato per caratterizzare con precisione la popolazione dello stato $|02\rangle$, consentendo l'ottimizzazione dell'ampiezza del flusso dell'accoppiatore ($A_c$) senza una scansione diretta del flusso.
• Ciclo Automatizzato: Se la fedeltà del gate CZ scende al di sotto di una soglia ($F_{th,CZ}$), il sistema aggiorna la configurazione di frequenza e ripete i passaggi di calibrazione. Le fasi a singolo qubit sono compensate tramite gate Z virtuali.

Risultati Chiave

• Fedeltà Record: Il flusso di lavoro ha raggiunto una fedeltà massima del gate CZ del 99,92 ± 0,01% su una specifica coppia di qubit. L'errore coerente per questo gate è stato soppresso allo 0,007%, con l'errore rimanente dominato da processi incoerenti.
• Scalabilità: Il metodo è stato generalizzato a 72 gate CZ paralleli sull'84-qubit processor, producendo una fedeltà mediana del 99,25%.
• Scomposizione dell'Errore: L'analisi tramite CAFE e randomized benchmarking intercalato (IRB) ha rivelato che, per il gate con le migliori prestazioni, il budget di errore consisteva di circa lo 0,079% di errore incoerente (inclusa la perdita < 0,001%) e lo 0,007% di errore coerente.
• Stabilità: Un esperimento di monitoraggio di 18 ore (9 ore con calibrazione automatizzata rispetto a 9 ore senza) ha dimostrato che la calibrazione automatizzata migliora significativamente la stabilità del gate. Per i qubit soggetti a fluttuazioni ambientali, la calibrazione automatizzata ha ridotto i tassi di errore medi da circa l'1,5% a circa lo 0,5%.
• Correlazioni: Lo studio ha identificato una correlazione tra i tassi di errore dei gate CZ e i tassi di errore dei gate a singolo qubit, entrambi legati a brevi tempi di dephasing ($T_2^{XY8}$).

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene di aver stabilito una via efficiente e automatizzata verso il calcolo quantistico ad alte prestazioni utilizzando sistemi superconduttori. Dimostrando che un flusso di lavoro a ciclo chiuso che utilizza ELEA e CAFE può sopprimere gli errori coerenti al livello dello 0,007% su una piattaforma su larga scala (84 qubit) nazionale, gli autori mostrano che la fedeltà richiesta per la QEC tollerante ai guasti è raggiungibile anche in presenza degli errori incoerenti intrinseci ai chip scalabili. Il lavoro evidenzia che la calibrazione automatizzata non è solo una comodità, ma una necessità per mantenere alte prestazioni nei processori scalabili dove i drift ambientali sono significativi. I risultati suggeriscono che, con un'ulteriore ottimizzazione delle forme d'impulso e delle frequenze di interazione, sono raggiungibili fedeltà ancora più elevate e gate più veloci, aprendo la strada a un calcolo quantistico pratico e tollerante ai guasti.