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

Technische Samenvatting: Hoogprecisie Kalibratiewerkstroom voor CZ-poorten op een Schaalbare Supergeleidende Processor

Probleemstelling
De realisatie van fouttolerante kwantumrekening vereist fysieke qubits met poortfoutpercentages die de 0,1% benaderen. Hoewel hoogwaardige CZ-poorten zijn gedemonstreerd op geïsoleerde supergeleidende monsters, introduceert het schalen van deze systemen aanzienlijke uitdagingen. Naarmate de chipgrootte en de qubitdichtheid toenemen, verslechteren de coherentietijden door twee-niveau systeem (TLS) defecten en depolariserende kanalen van besturingslijnen. Deze factoren verhogen de incoherente fouten, waardoor het foutenbudget dat beschikbaar is voor coherente fouten (die voortkomen uit parameterafwijkingen) wordt ingeperkt. In schaalbare processors is de tolerantie voor coherente fouten verminderd, wat uiterst precieze kalibratiewerkstromen vereist om deze fouten te onderdrukken en de poortgetrouwheid (gate fidelity) te bereiken die geschikt is voor kwantumfoutcorrectie (QEC).

Methodologie
De auteurs hebben een closed-loop kalibratiewerkstroom ontwikkeld die is ontworpen om de precisie van de CZ-poortkalibratie op de "Shenglian" processor te verbeteren, een 84-qubit systeem bestaande uit instelbare transmon-qubits en koppelers. De werkstroom integreert drie specifieke circuittechnieken die iteratief worden toegepast:

1. Standard Error Amplification (SEA): Gebruikt om poortfouten te versterken en geaccumuleerde conditionele fasen te meten.
2. Echoed Leakage Error Amplification (ELEA): Aangepast van de Phase-Averaged Leakage Error Amplification (PALEA) circuit, deze techniek richt zich specifiek op het versterken van populatie-lekkage naar niet-computationele toestanden (specifiek $|02\rangle$).
3. Repurposed Context-Aware Fidelity Estimation (CAFE): Gebruikt om getrouwheid te schatten terwijl lekkage wordt gekarakteriseerd, waarbij traditionele flux-pulsamplitude-scans worden vervangen door populatiemetingen van specifieke toestanden.

Het kalibratieproces volgt een gestructureerde sequentie:

• Initialisatie: Timing en flux-distorties worden gecompenseerd met infinite impulse response filters. De rustfrequenties van qubits worden geherstructureerd om frequentiecollisies te voorkomen en coherentie te optimaliseren.
• Coarse & Intermediate Calibration: De werkstroom scant flux-pulsamplitudes ($A_1, A_2, A_c$) met behulp van SEA en ELEA. De ELEA-circuit wordt ingezet om amplitudes iteratief af te stemmen totdat lekkage wordt geminimaliseerd en parameters convergeren.
• Fine Calibration: De CAFE-circuit wordt gebruikt om de populatie van de $|02\rangle$-toestand nauwkeurig te karakteriseren, waardoor de optimalisatie van de coupler-fluxamplitude ($A_c$) mogelijk wordt zonder directe flux-scanning.
• Geautomatiseerde Loop: Als de CZ-poortgetrouwheid onder een drempelwaarde ($F_{th,CZ}$) valt, werkt het systeem de frequentieconfiguratie bij en herhaalt het de kalibratiestappen. Single-qubit fasen worden gecompenseerd via virtuele Z-poorten.

Belangrijkste Resultaten

• Record Getrouwheid: De werkstroom bereikte een maximale CZ-poortgetrouwheid van 99,92 ± 0,01% op een specifieke qubit-paar. De coherente fout voor deze poort werd onderdrukt tot 0,007%, waarbij de resterende fout wordt gedomineerd door incoherente processen.
• Schaalbaarheid: De methode is gegeneraliseerd naar 72 parallelle CZ-poorten over de 84-qubit processor, wat een mediane getrouwheid van 99,25% opleverde.
• Foutanalyse: Analyse met behulp van CAFE en interleaved randomized benchmarking (IRB) toonde aan dat voor de best presterende poort het foutenbudget bestond uit ongeveer 0,079% incoherente fout (inclusief lekkage < 0,001%) en 0,007% coherente fout.
• Stabiliteit: Een 18-urige monitoring-experiment (9 uur onder automatische kalibratie versus 9 uur zonder) toonde aan dat automatische kalibratie de poortstabiliteit aanzienlijk verbetert. Voor qubits die gevoelig zijn voor omgevingsfluctuaties, verminderde automatische kalibratie de gemiddelde foutpercentages van ~1,5% naar ~0,5%.
• Correlaties: De studie identificeerde een correlatie tussen CZ-poortfoutpercentages en single-qubit poortfoutpercentages, die beide gekoppeld zijn aan korte dephaseringstijden ($T_2^{XY8}$).

Betekenis en Claims
Het artikel claimt een efficiënte en geautomatiseerde route te hebben vastgesteld naar hoogwaardige kwantumrekening met behulp van supergeleidende systemen. Door aan te tonen dat een closed-loop werkstroom die gebruikmaakt van ELEA en CAFE de coherente fouten kan onderdrukken tot het niveau van 0,007% op een grootschalig (84-qubit) inheems platform, laten de auteurs zien dat de getrouwheid die vereist is voor fouttolerante QEC haalbaar is, zelfs in aanwezigheid van de incoherente fouten die inherent zijn aan schaalbare chips. Het werk benadrukt dat automatische kalibratie niet louter een gemak is, maar een noodzaak voor het behoud van hoge prestaties in schaalbare processors waar omgevingsdrifts aanzienlijk zijn. De resultaten suggereren dat met verdere optimalisatie van pulsvormen en interactiefrequenties, zelfs hogere getrouwheid en snellere poorten haalbaar zijn, wat de weg vrijmaakt voor praktische fouttolerante kwantumrekening.