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

Resumo Técnico: Fluxo de Trabalho de Calibração de Alta Precisão para Portas CZ em um Processador Supercondutor Escalável

Definição do Problema
A realização da computação quântica tolerante a falhas exige qubits físicos com taxas de erro de porta próximas a 0,1%. Embora portas CZ de alta fidelidade tenham sido demonstradas em amostras supercondutoras isoladas, a escala desses sistemas introduz desafios significográficos. À medida que o tamanho do chip e a densidade de qubits aumentam, os tempos de coerência degradam-se devido a defeitos de sistemas de dois níveis (TLS) e canais de despolarização provenientes das linhas de controle. Esses fatores aumentam os erros incoerentes, reduzindo, consequentemente, o orçamento de erro disponível para erros coerentes (aqueles decorrentes de desvios de parâmetros). Em processadores escaláveis, a tolerância para erros coerentes é reduzida, necessitando de fluxos de trabalho de calibração altamente precisos para suprimir esses erros e alcançar fidelidades de porta adequadas para a correção de erros quânticos (QEC).

Metodologia
Os autores desenvolveram um fluxo de trabalho de calibração de malha fechada projetado para aumentar a precisão da calibração da porta CZ no processador "Shenglian", um sistema de 84 qubits composto por qubits transmon sintonizáveis e acopladores. O fluxo de trabalho integra três técnicas específicas de circuito aplicadas iterativamente:

1. Amplificação de Erro Padrão (SEA): Utilizada para amplificar erros de porta e medir fases condicionais acumuladas.
2. Amplificação de Erro de Vazamento com Eco (ELEA): Adaptada de um circuito de Amplificação de Erro de Vazamento com Média de Fase (PALEA), esta técnica visa especificamente e amplifica o vazamento de população para estados não computacionais (especificamente $|02\rangle$).
3. Estimativa de Fidelidade Consciente de Contexto (CAFE) Reprimida: Utilizada para estimar a fidelidade enquanto caracteriza o vazamento, substituindo varreduras tradicionais de amplitude de pulso de fluxo por medições de população de estados específicos.

O processo de calibração segue uma sequência estruturada:

• Inicialização: Distorções de tempo e de fluxo são compensadas usando filtros de resposta ao impulso infinita. As frequências de ociosidade dos qubits são rearranjadas para evitar colisões de frequência e otimizar a coerência.
• Calibração Grossa e Intermediária: O fluxo de trabalho varre as amplitudes de pulso de fluxo ($A_1, A_2, A_c$) usando SEA e ELEA. O circuito ELEA é empregado para ajustar iterativamente as amplitudes até que o vazamento seja minimizado e os parâmetros convirjam.
• Calibração Fina: O circuito CAFE é utilizado para caracterizar precisamente a população do estado $|02\rangle$, permitindo a otimização da amplitude de fluxo do acoplador ($A_c$) sem varredura direta de fluxo.
• Loop Automatizado: Se a fidelidade da porta CZ cair abaixo de um limite ($F_{th,CZ}$), o sistema atualiza a configuração de frequência e repete as etapas de calibração. As fases de qubit único são compensadas via portas Z virtuais.

Principais Resultados

• Fidelidade Recorde: O fluxo de trabalho alcançou uma fidelidade máxima de porta CZ de 99,92 ± 0,01% em um par de qubits específico. O erro coerente para esta porta foi suprimido para 0,007%, sendo o erro restante dominado por processos incoerentes.
• Escalabilidade: O método foi generalizado para 72 portas CZ paralelas através do processador de 84 qubits, produzindo uma fidelidade mediana de 99,25%.
• Decomposição de Erro: A análise usando CAFE e benchmarking randômico intercalado (IRB) revelou que, para a porta de melhor desempenho, o orçamento de erro consistia em aproximadamente 0,079% de erro incoerente (incluindo vazamento < 0,001%) e 0,007% de erro coerente.
• Estabilidade: Um experimento de monitoramento de 18 horas (9 horas sob calibração automatizada vs. 9 horas sem ela) demonstrou que a calibração automatizada aumenta significativamente a estabilidade da porta. Para qubits propensos a flutuações ambientais, a calibração automatizada reduziu as taxas de erro médio de ~1,5% para ~0,5%.
• Correlações: O estudo identificou uma correlação entre as taxas de erro da porta CZ e as taxas de erro de portas de qubit único, ambas ligadas a tempos de desfasagem curtos ($T_2^{XY8}$).

Significância e Alegações
O artigo alega estabelecer uma rota eficiente e automatizada para a computação quântica de alto desempenho utilizando sistemas supercondutores. Ao demonstrar que um fluxo de trabalho de malha fechada utilizando ELEA e CAFE pode suprimir erros coerentes para o nível de 0,007% em uma plataforma de grande escala (84 qubits), os autores mostram que a fidelidade necessária para QEC tolerante a falhas é alcançável mesmo na presença dos erros incoerentes inerentes aos chips escaláveis. O trabalho destaca que a calibração automatizada não é meramente uma conveniência, mas uma necessidade para manter o alto desempenho em processadores escaláveis onde os desvios ambientais são significativos. Os resultados sugerem que, com a otimização adicional das formas de pulso e frequências de interação, fidelidades ainda maiores e portas mais rápidas são atingíveis, pavimentando o caminho para a computação quântica prática e tolerante a falhas.