Fuldstændig positivt kort for støjende drevne kvantesystemer afledt af Keldysh Expansion

Fuldstændig positivt kort for støjende drevne kvantesystemer afledt af Keldysh Expansion

Ziwen Huang1, Yunwei Lu2, Anna Grassellino1, Alexander Romanenko1, Jens Koch2, og Shaojiang Zhu1

1Superconducting Quantum Materials and Systems Center, Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL 60510, USA
2Institut for Fysik og Astronomi, Northwestern University, Evanston, IL 60208, USA

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Nøjagtig modellering af dekohærensfejl i kvanteprocessorer er afgørende for at analysere og forbedre gate-fidelities. For at øge nøjagtigheden ud over det Lindblads dynamiske kort er flere generaliseringer blevet foreslået, og udforskningen af ​​enklere og mere systematiske rammer er stadig i gang. I dette papir introducerer vi en dekohærensmodel baseret på Keldysh-formalismen. Denne formalisme giver os mulighed for at inkludere ikke-periodiske drev og korreleret kvantestøj i vores model. Ud over dens brede vifte af applikationer er vores metode også numerisk enkel og giver et CPTP-kort. Disse funktioner giver os mulighed for at integrere Keldysh-kortet med kvanteoptimale kontrolteknikker. Vi demonstrerer, at denne strategi genererer impulser, der dæmper korreleret kvantestøj i qubit-tilstandsoverførsel og gate-operationer.

For nylig er der gjort bemærkelsesværdige fremskridt i retning af at opnå praktisk kvanteberegning, da både antallet og kvaliteten af ​​qubits på kvanteberegningschips er steget betydeligt. Det er dog fortsat en udfordring at sikre nøjagtige gate-operationer på disse qubits, hvilket primært skyldes forekomsten af ​​dekohærensfejl. For at analysere og afbøde disse fejl er udviklingen af ​​et værktøj, der er i stand til systematisk at forudsige formatet og størrelsen af ​​fejlene, afgørende.

I dette arbejde præsenterer vi en simpel dekohærensmodel, der kan løse denne opgave. Modellen er afledt strengt ved hjælp af Keldysh-formalismen og besidder følgende vigtige funktioner. For det første er denne model meget alsidig, da den kan håndtere vilkårlige drev på kvanteprocessorer med klassisk eller kvantestøj, såvel som markovsk eller ikke-markovsk støj. For det andet er de dynamiske kort forudsagt af denne model garanteret at være fysiske - de er strengt CPTP. For det tredje er den beregningsmæssige kompleksitet af modellen håndterbar, hvilket muliggør ligetil integration med kvanteoptimale styringsteknikker. Gennem integrationen af ​​denne model demonstrerer vi numerisk forbedret troskab i både statsoverførsel og gate-operationer.

Ved at bruge vores model kan vi mere bekvemt forstå qubit-dekohærens på tværs af en række scenarier, inklusive dem, der sjældent er blevet udforsket. Desuden kan denne Keldysh-baserede model potentielt udvides til højere ordrer, hvilket ville være relevant, hvis de ikke-Gaussiske støjegenskaber bliver vigtige. Endelig, ved at bruge vores model til at optimere gates i rigtige kvanteprocessorer, kan vi potentielt yderligere reducere unøjagtigheder og rykke tættere på at opnå fuld kvantefejlkorrektion.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] John Preskill. "Quantum Computing in the NISQ Era and Beyond". Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[2] Christian Majenz, Tameem Albash, Heinz-Peter Breuer og Daniel A. Lidar. "Grov kornning kan slå den roterende bølgetilnærmelse i kvantemarkoviske hovedligninger". Phys. Rev. A 88, 012103 (2013).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.88.012103

[3] Evgeny Mozgunov og Daniel Lidar. "Fuldstændig positiv hovedligning for vilkårlig kørsel og lille niveauafstand". Quantum 4, 227 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-02-06-227

[4] Peter Groszkowski, Alireza Seif, Jens Koch og AA Clerk. "Simple master-ligninger til beskrivelse af drevne systemer, der er underlagt klassisk ikke-markovsk støj". Quantum 7, 972 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-04-06-972

[5] Ziwen Huang, Pranav S. Mundada, András Gyenis, David I. Schuster, Andrew A. Houck og Jens Koch. "Udvikling af dynamiske søde pletter for at beskytte Qubits mod $1/​f$ støj". Phys. Rev. Appl. 15, 034065 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.15.034065

[6] Todd J. Green, Jarrah Sastrawan, Hermann Uys og Michael J. Biercuk. "Vilkårlig kvantekontrol af Qubits i nærvær af universel støj". Ny J. Phys. 15, 095004 (2013).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​15/​9/​095004

[7] Vivian Maloney, Yasuo Oda, Gregory Quiroz, B. David Clader og Leigh M. Norris. "Qubit Control Noise Spectroscopy with Optimal Suppression of Dephasing". Phys. Rev. A 106, 022425 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.106.022425

[8] Nicolas Didier. "Fluxkontrol af superledende Qubits på Dynamical Sweet Spot" (2019). arXiv.1912.09416.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1912.09416

[9] Clemens Müller og Thomas M. Stace. "At udlede Lindblad Master Equations with Keldysh Diagrams: Correlated Gain and Loss in Higher Order Perturbation Theory". Phys. Rev. A 95, 013847 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.013847

[10] Hans C. Fogedby. "Feltteoretisk tilgang til åbne kvantesystemer og Lindblad-ligningen". Phys. Rev. A 106, 022205 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.106.022205

[11] Anton Trushechkin. "Unified Gorini-Kossakowski-Lindblad-Sudarshan Quantum Master Equation Beyond the Secular Approximation". Phys. Rev. A 103, 062226 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.103.062226

[12] Bassano Vacchini. "Generaliserede hovedligninger, der fører til fuldstændig positiv dynamik". Phys. Rev. Lett. 117, 230401 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.117.230401

[13] Angel Rivas. "Forfinet svag koblingsgrænse: sammenhæng, sammenfiltring og ikke-markovianitet". Phys. Rev. A 95, 042104 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042104

[14] Robert Alicki. "Masterligninger for en dæmpet ikke-lineær oscillator og gyldigheden af ​​den Markovske tilnærmelse". Phys. Rev. A 40, 4077-4081 (1989).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.40.4077

[15] Gernot Schaller og Tobias Brandes. "Bevarelse af positivitet ved dynamisk grovkorning". Phys. Rev. A 78, 022106 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.78.022106

[16] Todd Green, Hermann Uys og Michael J. Biercuk. "Højordens støjfiltrering i ikke-trivielle kvantelogiske porte". Phys. Rev. Lett. 109, 020501 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.109.020501

[17] Pascal Cerfontaine, Tobias Hangleiter og Hendrik Bluhm. "Filterfunktioner for kvanteprocesser under korreleret støj". Phys. Rev. Lett. 127, 170403 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.170403

[18] Tobias Hangleiter, Pascal Cerfontaine og Hendrik Bluhm. "Filterfunktionsformalisme og softwarepakke til beregning af kvanteprocesser af portsekvenser for klassisk ikke-markovsk støj". Phys. Rev. Res. 3, 043047 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.043047

[19] Jonas Bylander, Simon Gustavsson, Fei Yan, Fumiki Yoshihara, Khalil Harrabi, George Fitch, David G. Cory, Yasunobu Nakamura, Jaw-Shen Tsai og William D. Oliver. "Støjspektroskopi gennem dynamisk afkobling med en superledende flux Qubit". Nat. Phys. 7, 565-570 (2011).
https://doi.org/​10.1038/​nphys1994

[20] Gerardo A. Paz-Silva, Leigh M. Norris og Lorenza Viola. "Multiqubit-spektroskopi af Gaussisk kvantestøj". Phys. Rev. A 95, 022121 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.022121

[21] Kevin Schultz, Ryan LaRose, Andrea Mari, Gregory Quiroz, Nathan Shammah, B. David Clader og William J. Zeng. "Påvirkning af tids-korreleret støj på nul-støj ekstrapolation". Phys. Rev. A 106, 052406 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.106.052406

[22] Yuriy Makhlin og Alexander Shnirman. "Affasning af Solid State Qubits på optimale punkter". Phys. Rev. Lett. 92, 178301 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.92.178301

[23] Nelson Leung, Mohamed Abdelhafez, Jens Koch og David Schuster. "Speedup for kvanteoptimal kontrol fra automatisk differentiering baseret på grafikbehandlingsenheder". Phys. Rev. A 95, 042318 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.042318

[24] Pranav S. Mundada, András Gyenis, Ziwen Huang, Jens Koch og Andrew A. Houck. "Floquet-konstrueret forbedring af kohærenstider i en drevet Fluxonium Qubit". Phys. Rev. Appl. 14, 054033 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.14.054033

[25] Joseph A. Valery, Shoumik Chowdhury, Glenn Jones og Nicolas Didier. "Dynamisk Sweet Spot Engineering via Two-Tone Flux Modulation of Superconducting Qubits". PRX Quantum 3, 020337 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.020337

[26] Yu-Xin Wang og AA Clerk. "Spektral karakterisering af ikke-Gaussisk kvantestøj: Keldysh-tilgang og anvendelse på fotonskudsstøj". Phys. Rev. Res. 2, 033196 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.2.033196

[27] Ziwen Huang, Xinyuan You, Ugur Alyanak, Alexander Romanenko, Anna Grassellino og Shaojiang Zhu. "Højordens Qubit-affasning ved Sweet Spots af ikke-Gaussian Fluctuators: Symmetri Breaking and Floquet Protection". Phys. Rev. Appl. 18, L061001 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.18.L061001

[28] G. Lindblad. "Om generatorerne af kvantedynamiske semigrupper". Commun. Matematik. Phys. 48, 119-130 (1976).
https://​/​doi.org/​10.1007/​BF01608499

[29] Heinz-Peter Breuer og Francesco Petruccione. "Teorien om åbne kvantesystemer". Kapitel 3, side 125-131. Oxford University Press, New York. (2007).
https://​/​doi.org/​10.1093/​acprof:oso/​9780199213900.001.0001

[30] Mohamed Ragab Abdelhafez. "Kvanteoptimal kontrol ved hjælp af automatisk differentiering". Ph.d.-afhandling. University of Chicago. (2019).
https://​/​doi.org/​10.6082/​uchicago.2028

[31] S. Blanes, F. Casas, JA Oteo og J. Ros. "Magnus-udvidelsen og nogle af dens applikationer". Phys. Rep. 470, 151-238 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physrep.2008.11.001

[32] JR Johansson, PD Nation, og Franco Nori. "QuTiP 2: A Python Framework for the Dynamics of Open Quantum Systems". Comp. Phys. Comm. 184, 1234 (2013).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.cpc.2012.11.019

[33] Fei Yan, Simon Gustavsson, Jonas Bylander, Xiaoyue Jin, Fumiki Yoshihara, David G. Cory, Yasunobu Nakamura, Terry P. Orlando og William D. Oliver. "Roterende rammeafslapning som en støjspektrumanalysator af en superledende Qubit, der gennemgår drevet udvikling". Nat. Commun. 4, 2337 (2013).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms3337

[34] G. Ithier, E. Collin, P. Joyez, PJ Meeson, D. Vion, D. Esteve, F. Chiarello, A. Shnirman, Y. Makhlin, J. Schriefl og G. Schön. "Dekohærens i et superledende kvantebitkredsløb". Phys. Rev. B 72, 134519 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.72.134519

[35] Long B. Nguyen, Yen-Hsiang Lin, Aaron Somoroff, Raymond Mencia, Nicholas Grabon og Vladimir E. Manucharyan. "Højkohærens Fluxonium Qubit". Phys. Rev. X 9, 041041 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.9.041041

[36] Peter Groszkowski, A. Di Paolo, AL Grimsmo, A. Blais, DI Schuster, AA Houck og Jens Koch. "Kohærensegenskaber for 0-$pi$ Qubit". Ny J. Phys. 20, 043053 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aab7cd

[37] César A. Rodríguez-Rosario, Kavan Modi, Aik meng Kuah, Anil Shaji og ECG Sudarshan. "Fuldstændig positive kort og klassiske sammenhænge". J. Phys. A: Matematik. Theor. 41, 205301 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​41/​20/​205301

[38] Anthony Gandon, Camille Le Calonnec, Ross Shillito, Alexandru Petrescu og Alexandre Blais. "Engineering, kontrol og langsgående udlæsning af Floquet Qubits". Phys. Rev. Appl. 17, 064006 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.17.064006

[39] Long B. Nguyen, Yosep Kim, Akel Hashim, Noah Goss, Brian Marinelli, Bibek Bhandari, Debmalya Das, Ravi K. Naik, John Mark Kreikebaum, Andrew N. Jordan, David I. Santiago og Irfan Siddiqi. "Programmerbare Heisenberg-interaktioner mellem Floquet Qubits" (2022). arXiv:2211.10383.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2211.10383
arXiv: 2211.10383

[40] Sarath Prem, Marcin M. Wysokiński og Mircea Trif. "Længdegående kobling mellem elektrisk drevne spin-Qubits og en resonator" (2023). arXiv:2301.10163.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2301.10163
arXiv: 2301.10163

[41] Chunqing Deng, Jean-Luc Orgiazzi, Feiruo Shen, Sahel Ashhab og Adrian Lupascu. "Observation af Floquet-tilstande i et stærkt drevet kunstigt atom". Phys. Rev. Lett. 115, 133601 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.115.133601

[42] Christiane P Koch, Ugo Boscain, Tommaso Calarco, Gunther Dirr, Stefan Filipp, Steffen J Glaser, Ronnie Kosloff, Simone Montangero, Thomas Schulte-Herbrüggen, Dominique Sugny, et al. "Quantum Optimal Control in Quantum Technologies. Strategisk rapport om nuværende status, visioner og mål for forskning i Europa”. EPJ Quantum Technol. 9, 19 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1140/​epjqt/​s40507-022-00138-x

[43] Stefanie Günther, N. Anders Petersson og Jonathan L. DuBois. "Quandary: En åben kildekode C++-pakke til højtydende optimal kontrol af åbne kvantesystemer". I 2021 IEEE/​ACM Second International Workshop on Quantum Computing Software (QCS). Side 88-98. Los Alamitos, Californien, USA (2021). IEEE Computer Society.
https://​/​doi.org/​10.1109/​QCS54837.2021.00014

[44] Mohamed Abdelhafez, David I. Schuster og Jens Koch. "Gradient-baseret optimal kontrol af åbne kvantesystemer ved hjælp af kvantebaner og automatisk differentiering". Phys. Rev. A 99, 052327 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.052327

[45] Thomas Propson, Brian E. Jackson, Jens Koch, Zachary Manchester og David I. Schuster. "Robust kvanteoptimal kontrol med baneoptimering". Phys. Rev. Appl. 17, 014036 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.17.014036

[46] A. Soare, H. Ball, D. Hayes, J. Sastrawan, MC Jarratt, JJ McLoughlin, X. Zhen, TJ Green og MJ Biercuk. "Eksperimentel støjfiltrering ved kvantekontrol". Nat. Phys. 10, 825-829 (2014).
https://doi.org/​10.1038/​nphys3115

[47] Harrison Ball, Michael J Biercuk, Andre RR Carvalho, Jiayin Chen, Michael Hush, Leonardo A De Castro, Li Li, Per J Liebermann, Harry J Slatyer, Claire Edmunds, Virginia Frey, Cornelius Hempel og Alistair Milne. "Softwareværktøjer til kvantekontrol: Forbedring af kvantecomputerens ydeevne gennem støj- og fejlundertrykkelse". Quantum Sci. Teknol. 6, 044011 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​abdca6

[48] Tianyu Xie, Zhiyuan Zhao, Shaoyi Xu, Xi Kong, Zhiping Yang, Mengqi Wang, Ya Wang, Fazhan Shi og Jiangfeng Du. "99.92%-Fidelity CNOT-porte i faste stoffer ved støjfiltrering". Phys. Rev. Lett. 130, 030601 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.130.030601

[49] Isabel Nha Minh Le, Julian D. Teske, Tobias Hangleiter, Pascal Cerfontaine og Hendrik Bluhm. "Analytiske filterfunktionsderivater til kvanteoptimal kontrol". Phys. Rev. Appl. 17, 024006 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.17.024006

[50] Navin Khaneja, Timo Reiss, Cindie Kehlet, Thomas Schulte-Herbrüggen og Steffen J Glaser. "Optimal kontrol af koblet spindynamik: Design af NMR-pulssekvenser ved gradient-opstigningsalgoritmer". J. Magn. Reson. 172, 296-305 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.jmr.2004.11.004

[51] Xinyuan You, Aashish A. Clerk og Jens Koch. "Støj med positiv og negativ frekvens fra et ensemble af to-niveau fluktuatorer". Phys. Rev. Res. 3, 013045 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013045

[52] Clemens Müller, Jared H Cole og Jürgen Lisenfeld. "Mod at forstå to-niveau-systemer i amorfe faste stoffer: Indsigt fra kvantekredsløb". Rep. Prog. Phys. 82, 124501 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1361-6633/​ab3a7e

[53] DK Weiss, Helin Zhang, Chunyang Ding, Yuwei Ma, David I. Schuster og Jens Koch. "Hurtige High-Fidelity-porte til galvanisk koblede Fluxonium Qubits ved hjælp af stærk fluxmodulation". PRX Quantum 3, 040336 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.040336

[54] Ross Shillito, Jonathan A. Gross, Agustin Di Paolo, Élie Genois og Alexandre Blais. "Hurtig og differentierbar simulering af drevne kvantesystemer". Phys. Rev. Res. 3, 033266 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.033266

[55] A. Grimm, NE Frattini, S. Puri, SO Mundhada, S. Touzard, M. Mirrahimi, SM Girvin, S. Shankar og MH Devoret. "Stabilisering og drift af en Kerr-Cat Qubit". Nature 584, 205-209 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2587-z

[56] Anton Frisk Kockum, Adam Miranowicz, Simone De Liberato, Salvatore Savasta og Franco Nori. "Ultrastærk kobling mellem lys og stof". Nat. Rev. Phys. 1, 19-40 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-018-0006-2

[57] Alexandre Blais, Arne L. Grimsmo, SM Girvin og Andreas Wallraff. "Circuit Quantum Electrodynamics". Rev. Mod. Phys. 93, 025005 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.93.025005

[58] Paul Heidler, Christian MF Schneider, Katja Kustura, Carlos Gonzalez-Ballestero, Oriol Romero-Isart og Gerhard Kirchmair. "Ikke-markoviske effekter af to-niveau systemer i en niobium koaksial resonator med en enkelt-foton levetid på 10 millisekunder". Phys. Rev. Appl. 16, 034024 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.16.034024

Citeret af

[1] Ziwen Huang, Taeyoon Kim, Tanay Roy, Yao Lu, Alexander Romanenko, Shaojiang Zhu og Anna Grassellino, "Fast ZZ-Free Entangling Gates for Superconducting Qubits Assisted by a Driven Resonator", arXiv: 2311.01332.

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-11-04 23:26:25). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2023-11-04 23:26:24).

Tidsstempel:

Mere fra Quantum Journal