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

본 논문은 최적화된 결합 매개변수와 새로운 보정 프로토콜을 통해 단일 초전도 소자에서 단일 큐비트 게이트, 두 큐비트 게이트 및 판독 충실도를 99.9%를 초과하는 수준으로 동시에 달성함으로써 오류 정정 양자 컴퓨팅으로 확장 가능한 경로를 제시합니다.

핵심

상상해 보세요. 전기가 아닌 양자 물리 법칙을 사용하는 초고급 계산기를 만들려고 한다고요. 이 계산기를 작동시키려면 다음 세 가지 작업을 완벽하게 수행해야 합니다:

1. 단일 스위치 뒤집기 (단일 큐비트 게이트).
2. 두 스위치 간 대화 유도 (두 큐비트 게이트).
3. 결과 읽기 (리드아웃).

문제는 과거에 스위치들이 서로 대화하도록 만들면, 개별적으로 스위치를 뒤집거나 결과를 정확하게 읽는 것이 더 어려워졌다는 점입니다. 마치 시끄러운 방에서 대화를 나누는 것과 같았습니다. 들리도록 더 크게 소리치는 것 (얽힘) 이 많을수록, 자신의 생각 (개별 제어) 을 듣거나 배경 잡음 (리드아웃 오류) 을 구분하기가 더 어려워졌던 것입니다.

IQM 양자 컴퓨터의 이 논문은 다음과 같이 말합니다: "우리는 마침내 세 가지 작업을 모두 거의 완벽에 가까운 정확도로 동시에 수행하는 방법을 찾아냈습니다."

다음은 일상적인 비유로 설명한 그들의 방법입니다:

1. "골디락스" 연결

이 장치는 중개인 (커플러라고 함) 으로 연결된 두 개의 작은 양자 스위치 (큐비트라고 함) 를 사용합니다.

• 문제: 스위치와 중개인 사이의 연결이 너무 약하면, 그들이 충분히 빠르게 대화할 수 없습니다. 너무 강하면 그들이 "혼란"을 겪어 개별 작업을 망칩니다.
• 해결: 팀은 "골디락스" 설정을 찾았습니다. 연결 강도를 딱 알맞게 조정했습니다. 스위치들이 빠르게 대화할 수 있을 정도로 충분히 강하지만, 너무 강해서 서로 얽혀 실수를 저지르지 않을 정도로만 강하게 유지한 것입니다.
• 결과: 그들은 대화 (두 큐비트 게이트) 에 대해 **99.93%**의 정확도를, 스위치 뒤집기 (단일 큐비트 게이트) 에 대해 **99.98%**의 정확도를 달성했습니다.

2. "소음 제거" 교정 (PALEA)

적절한 설정을 갖추더라도 미세한 오류는 발생합니다. 라디오를 튜닝하려고 할 때 가끔 정전기가 발생하는 것과 같습니다.

• 옛 방식: 이전 방법들은 정전기를 들어 오류를 찾으려 했지만, 정전기는 종종 다른 소음들과 섞여 있어 무엇이 잘못되었는지 정확히 pinpoint 하기 어려웠습니다.
• 새 방식 (PALEA): 팀은 PALEA(위상 평균 누출 오류 증폭) 라는 새로운 방법을 고안했습니다.
  • 비유: 시끄러운 방에서 특정 속삭임을 들어보려고 한다고 상상해 보세요. 그냥 듣는 대신, 방에 속삭임을 반복해서 말하게 하되, 매번 약간의 다른 억양으로 말하게 요청한다고 가정해 보세요. 모든 다른 억양들을 평균내면 배경 소음이 상쇄되고, 특정 속삭임이 선명하게 들립니다.
  • 결과: 이를 통해 그들은 이전보다 두 배 더 효과적으로 미세한 정보 "누출"(오류) 을 찾아내고 수정할 수 있었습니다.

3. "안전망" 읽기

양자 계산의 결과를 읽는 것은 그것을 바라보는 행위 자체가 결과를 바꿀 수 있기 때문에 까다롭습니다.

• 전략: 그들은 Shelving(선반에 보관) 이라는 기법을 사용했습니다.
  • 비유: 깨지기 쉬운 유리 구슬 (양자 상태) 을 저울질해야 한다고 상상해 보세요. 직접 저울에 올리면 진동으로 인해 깨질 수 있습니다. 대신, 구슬을 더 높은 에너지 상태인 높은 선반으로 부드럽게 들어 올린 후, 그곳에서 저울질합니다.
  • 결과: 이를 통해 그들은 fragile 한 상태를 깨뜨리지 않고 **99.94%**의 정확도로 답을 읽을 수 있었습니다. 또한 상태를 전혀 변경하지 않고 읽을 수 있음을 보여주었습니다 (99.3% "비파괴적" 읽기). 이는 향후 오류 수정에 매우 중요합니다.

큰 그림

이 팀은 기계의 한 부분만 고친 것이 아니라, 전체 시스템을 최적화했습니다.

• 그들은 스위치 간의 빠르고 정확한 대화 그리고 정확한 개별 제어 그리고 완벽한 읽기를 모두 같은 장치에서 가질 수 있음을 증명했습니다.
• 그들은 이 설계가 확장 가능함을 보여주었습니다. 이러한 스위치들의 격자를 상상해 보세요. 그들의 설계는 방금 완성한 규칙을 깨뜨리지 않고 체스판처럼 정사각형 패턴으로 더 많은 스위치를 추가할 수 있게 합니다.

요약하자면: 그들은 스위치, 대화, 읽기가 모두 99.9% 이상의 정밀도로 작동하는 양자 프로세서를 구축했습니다. 이는 진정한 강력하고 오류 수정이 가능한 양자 컴퓨터를 구축하는 것을 가능하게 합니다. 그들은 한 가지 것만 좋게 만든 것이 아니라, 전체 오케스트라가 완벽한 조화를 이루도록 만들었습니다.

기술 요약

기술 요약: 단일 초전도 양자 장치에서 99.9% 이상의 충실도를 달성한 단일 큐비트 게이트, 두 큐비트 게이트 및 판독

문제 제기
확장 가능하고 결함 허용적인 양자 컴퓨터를 구축하려면 단일 큐비트 게이트, 두 큐비트 게이트, 큐비트 판독 등 모든 핵심 연산에서 낮은 오류율이 필요합니다. 초전도 트랜스몬 시스템에서 이러한 개별 연산들의 충실도는 크게 향상되었으나, 단일 장치 내에서 동시에 높은 충실도를 달성하는 것은 여전히 주요한 과제입니다. 한 연산을 위해 최적화된 장치 매개변수는 종종 다른 연산들의 성능을 저하시킵니다. 구체적으로, 강한 큐비트 - 커플러 결합은 빠른 얽힘 게이트를 가능하게 하지만, 혼성화-induced 크로스토크를 증가시켜 동시 단일 큐비트 게이트 충실도를 저하시킵니다. 마찬가지로, 큐비트 결맞음이나 게이트 성능을 훼손하지 않으면서 고품질 판독을 통합하려면 신중한 아키텍처 절충이 필요합니다.

방법론
저자들은 가변 플럭스를 갖는 두 개의 플로팅 트랜스몬 큐비트가 가변 플로팅 트랜스몬 커플러를 통해 결합된 초전도 장치에 대한 전체적 최적화 전략을 제시합니다. 이 접근법은 세 가지 주요 기둥을 포함합니다:

1. 최적의 큐비트 - 커플러 결합: 마스터 방정식과 3 준위 더핑 진동자 모델을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해, 저자들은 혼성화 크로스토크에 의해 지배되는 단일 큐비트 오류와 누출 및 비결맞음 과정에 의해 지배되는 두 큐비트 오류 간의 절충 관계를 분석했습니다. 그 결과 총 가중 클리포드 게이트 오류를 최소화하는 특정 큐비트 - 커플러 결합 강도 ($g_{qc}$) 를 확인했습니다. 제작된 장치는 빠른 게이트와 크로스토크 간의 균형을 맞추기 위해 기하학적 평균 결합 강도 $g_{qc}/2\pi = 66$ MHz 를 목표로 합니다.
2. 게이트 보정을 위한 PALEA 프로토콜: $\{|11\rangle, |02\rangle\}$ 부분공간에서 누출 오류를 보정하는 어려움에 대응하기 위해, 저자들은 위상 평균 누출 오류 증폭 (PALEA) 프로토콜을 도입했습니다. 정확한 위상 제어가 필요하거나 다른 누출 모드 (예: 커플러로 향하는 누출) 의 간섭에 취약한 표준 오류 증폭 또는 MEADD 프로토콜과 달리, PALEA 는 동적 디커플링 계층을 적용하고 무작위 위상 차이에 대해 평균화를 수행합니다. 이는 $|02\rangle$ 상태로의 인구 전이를 지배하는 과회전 각도 ($\theta$) 를 분리하여 고대비 신호 추출을 가능하게 하고, 각 반복마다 큐비트 구동 위상을 제어할 필요 없이 조건부-Z(CZ) 게이트의 정밀한 보정을 가능하게 합니다.
3. 판독 아키텍처 및 최적화: 이 장치는 자발적 방출과 비공명 구동을 억제하기 위해 각 큐비트에 전용 판독 공진기와 퍼셀 필터를 사용합니다. 고품질 판독은 $X_{12}^\pi$ 펄스를 통해 $|e\rangle$ 상태를 $|f\rangle$ 상태로 전이시키는 선반화 (shelving) 기법과 전파파 매개변수 증폭기 (TWPA) 를 결합하여 달성됩니다. 또한, 양자 비파괴 (QND) 성능을 위해 선반화되지 않은 판독 구성이 특별히 최적화되었습니다.

주요 결과
저자들은 단일 장치에서 모든 핵심 연산에 걸쳐 동시에 고품질 성능을 달성했다고 보고합니다:

• 두 큐비트 게이트: 40 시간 평균 CZ 게이트 충실도 99.93% (오류 $\approx 6.5 \times 10^{-4}$). 오류 예산 분석에 따르면 비결맞음 오류와 두 번째 들뜬 상태로의 누출이 주요 기여 요인이며, 결맞음 오류는 효과적으로 억제되었습니다.
• 단일 큐비트 게이트: 동시 단일 큐비트 게이트 충실도 99.98% 초과 (오류 $\approx 1.6 \times 10^{-4}$). 주요 오류 원인은 비결맞음 완화이며, 혼성화 크로스토크와 누출은 무시할 수준입니다.
• 판독: 선반화 구성을 사용한 두 큐비트의 동시 판독 충실도 99.94% 초과.
• QND 성능: 선반화 없이 최적화된 QND 판독은 **99.3%**의 QND 성을 달성하여 판독 충실도와 상태 보존 간의 절충 가능성을 입증했습니다.
• 시스템 수준 오류: 총 시스템 수준 오류 예산은 $2.1 \times 10^{-3}$로 추정되며, 양자 오류 정정 코드의 효율적인 확장에 필요한 임계값에 근접합니다.

의의 및 주장
이 논문은 모든 핵심 연산에서 일관되게 높은 충실도를 유지하면서 초전도 양자 프로세서를 확장할 수 있는 실현 가능한 경로를 제시한다고 주장합니다. 주요 기여점은 다음과 같습니다:

• 전체적 최적화: 결합 강도의 신중한 조정이 게이트 속도, 크로스토크, 판독 충실도 간의 전통적인 절충 관계를 해결할 수 있음을 입증했습니다.
• 확장성: 입증된 큐비트 - 커플러 아키텍처는 각 큐비트를 네 개의 독립적인 커플러에 결합함으로써 장치 매개변수를 크게 변경하지 않고도 2 차원 격자 레이아웃 (표면 코드 구현에 필요) 으로 자연스럽게 확장 가능합니다. 칩 레이아웃은 단일 계층에 전용 퍼셀 필터를 지원하여 복잡한 다층 제조를 피합니다.
• 보정 발전: PALEA 프로토콜은 누출 오류를 보정하는 강력하고 효율적인 방법을 제공하여 표준 방법 대비 최소 2 배 이상 누출을 줄이고 결맞음 오류의 정밀한 특성화를 가능하게 합니다.
• 오류 예산화: 이 연구는 비결맞음, 결맞음, 누출 구성 요소를 분리한 포괄적인 오류 예산을 제공하여, 시스템이 결함 허용 양자 컴퓨팅에 필요한 오류율에 근접하고 있음을 보여줍니다.

저자들은 그들의 결과가 확장 가능한 초전도 플랫폼에서 균일하게 높은 충실도를 향한 한 걸음이며, 결함 허용 양자 컴퓨팅을 현실에 더 가깝게 만들었다고 강조합니다.