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

Resumo Técnico: Portas de Qubits Únicos, Portas de Dois Qubits e Leitura Acima de 99,9% de Fidelidade em um Único Dispositivo Quântico Supercondutor

Declaração do Problema
Construir computadores quânticos escaláveis e tolerantes a falhas exige taxas de erro baixas em todas as operações principais: portas de qubits únicos, portas de dois qubits e leitura de qubits. Embora as fidelidades individuais para essas operações tenham melhorado significativamente em sistemas de transmons supercondutores, alcançar alta fidelidade simultaneamente em um único dispositivo permanece um grande desafio. Parâmetros do dispositivo otimizados para uma operação frequentemente degradam outras. Especificamente, um acoplamento forte entre qubit e acoplador facilita portas de emaranhamento rápidas, mas aumenta o crosstalk induzido por hibridização, degradando as fidelidades de portas de qubits únicos simultâneas. Da mesma forma, integrar uma leitura de alta fidelidade sem comprometer a coerência do qubit ou o desempenho da porta requer compensações arquitetônicas cuidadosas.

Metodologia
Os autores apresentam uma estratégia de otimização holística para um dispositivo supercondutor composto por dois qubits transmon flutuantes sintonizáveis por fluxo, acoplados via um acoplador transmon flutuante sintonizável. A abordagem envolve três pilares principais:

1. Acoplamento Otimizado Qubit-Acoplador: Através de simulações numéricas usando equações mestras e modelos de oscilador de Duffing de três níveis, os autores analisaram o compromisso entre erros de qubits únicos (dominados por crosstalk de hibridização) e erros de dois qubits (dominados por vazamento e processos incoerentes). Eles identificaram uma força específica de acoplamento qubit-acoplador ($g_{qc}$) que minimiza o erro total ponderado de portas Clifford. O dispositivo fabricado visa um acoplamento geométrico médio de $g_{qc}/2\pi = 66$ MHz, equilibrando a necessidade de portas rápidas com o crosstalk.
2. Protocolo PALEA para Calibração de Portas: Para abordar a dificuldade de calibrar erros de vazamento no subespaço $\{|11\rangle, |02\rangle\}$, os autores introduziram o protocolo Amplificação de Erro de Vazamento com Média de Fase (PALEA). Diferentemente dos protocolos padrão de amplificação de erro ou MEADD, que exigem controle de fase preciso ou são suscetíveis a interferência de outros modos de vazamento (por exemplo, para o acoplador), o PALEA emprega uma camada de desacoplamento dinâmico e faz a média sobre diferenças de fase aleatórias. Isso isola o ângulo de sobre-rotação ($\theta$) que governa a transferência de população para o estado $|02\rangle$, permitindo a extração de sinal de alto contraste e a calibração precisa da porta condicional-Z (CZ) sem necessidade de controlar a fase do drive do qubit a cada repetição.
3. Arquitetura e Otimização de Leitura: O dispositivo utiliza um ressonador de leitura dedicado e um filtro Purcell para cada qubit para suprimir a emissão espontânea e o drive fora de ressonância. A leitura de alta fidelidade é alcançada usando uma técnica de prateleira (transferindo o estado $|e\rangle$ para $|f\rangle$ via um pulso $X_{12}^\pi$) combinada com um amplificador paramétrico de onda viajante (TWPA). Além disso, uma configuração de leitura sem prateleira foi otimizada especificamente para desempenho de Medição Quântica Não Demolidora (QND).

Principais Resultados
Os autores relatam desempenho de alta fidelidade simultânea em todas as operações principais em um único dispositivo:

• Portas de Dois Qubits: Uma fidelidade de porta CZ média de 40 horas de 99,93% (erro $\approx 6,5 \times 10^{-4}$). O orçamento de erro indica que erros incoerentes e vazamento para o segundo estado excitado são as contribuições dominantes, com erros coerentes efetivamente suprimidos.
• Portas de Qubits Únicos: Fidelidades de portas de qubits únicos simultâneas superiores a 99,98% (erro $\approx 1,6 \times 10^{-4}$). A fonte de erro dominante é o relaxamento incoerente, com crosstalk de hibridização e vazamento negligenciáveis.
• Leitura: Fidelidades de leitura simultâneas superiores a 99,94% para ambos os qubits usando a configuração com prateleira.
• Desempenho QND: Uma leitura otimizada para QND (sem prateleira) alcançou uma "QNDness" de 99,3%, demonstrando a capacidade de trocar fidelidade de leitura pela preservação do estado.
• Erro em Nível de Sistema: O orçamento total de erro em nível de sistema é estimado em $2,1 \times 10^{-3}$, aproximando-se dos limiares necessários para a escalabilidade eficiente de códigos de correção de erro quântico.

Significado e Alegações
O artigo alega demonstrar um caminho viável para a escalabilidade de processadores quânticos supercondutores, mantendo fidelidades consistentemente altas em todas as operações principais. As principais contribuições incluem:

• Otimização Holística: Provar que o ajuste cuidadoso das forças de acoplamento pode resolver os compromissos tradicionais entre velocidade da porta, crosstalk e fidelidade de leitura.
• Escalabilidade: A arquitetura qubit-acoplador demonstrada é naturalmente extensível para layouts de grade quadrada 2D (necessários para implementações de código de superfície) ao acoplar cada qubit a quatro acopladores independentes sem alterar significativamente os parâmetros do dispositivo. O layout do chip suporta filtros Purcell dedicados em uma única camada, evitando fabricação multicamada complexa.
• Avanço na Calibração: O protocolo PALEA fornece um método robusto e eficiente para calibrar erros de vazamento, reduzindo o vazamento em pelo menos um fator de dois em comparação com métodos padrão e permitindo a caracterização precisa de erros coerentes.
• Orçamentação de Erros: O trabalho fornece um orçamento de erro abrangente que desentrelaça componentes incoerentes, coerentes e de vazamento, mostrando que o sistema está aproximando-se das taxas de erro necessárias para a computação quântica tolerante a falhas.

Os autores enfatizam que seus resultados representam um passo rumo a fidelidades uniformemente altas em plataformas supercondutoras escaláveis, aproximando a computação quântica tolerante a falhas da realidade.