論文の概要: Speed limits for two-qubit gates with weakly anharmonic qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2109.01469v2
• Date: Mon, 25 Apr 2022 17:21:26 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-16 06:27:41.579946
• Title: Speed limits for two-qubit gates with weakly anharmonic qubits
• Title（参考訳）: 弱非調和量子ビットを持つ2量子ゲートの速度制限
• Authors: Sahel Ashhab, Fumiki Yoshihara, Tomoko Fuse, Naoki Yamamoto, Adrian Lupascu, and Kouichi Semba
• Abstract要約: 最適制御理論を用いて、2量子ゲートの最大到達ゲート速度を決定する。 ゲート速度に対する追加量子状態の影響を解析する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6738135972929344
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We consider the implementation of two-qubit gates when the physical systems used to realize the qubits possess additional quantum states in the accessible energy range. We use optimal control theory to determine the maximum achievable gate speed for two-qubit gates in the qubit subspace of the many-level Hilbert space, and we analyze the effect of the additional quantum states on the gate speed. We identify two competing mechanisms. On one hand, higher energy levels are generally more strongly coupled to each other. Under suitable conditions, this stronger coupling can be utilized to make two-qubit gates significantly faster than the reference value based on simple qubits. On the other hand, a weak anharmonicity constrains the speed at which the system can be adequately controlled: according to the intuitive picture, faster operations require stronger control fields, which are more likely to excite higher levels in a weakly anharmonic system, which in turn leads to faster decoherence and uncontrolled leakage outside the qubit space. In order to account for this constraint, we modify the pulse optimization algorithm to avoid pulses that lead to appreciable population of the higher levels. In this case we find that the presence of the higher levels can lead to a significant reduction in the maximum achievable gate speed. We also compare the optimal-control gate speeds with those obtained using the cross-resonance/selective-darkening gate protocol. We find that the latter, with some parameter optimization, can be used to achieve a relatively fast implementation of the CNOT gate. These results can help the search for optimized gate implementations in realistic quantum computing architectures, such as those based on superconducting circuits. They also provide guidelines for desirable conditions on anharmonicity that allow optimal utilization of the higher levels to achieve fast quantum gates.
• Abstract（参考訳）: 量子ビットを実現する物理系が、アクセス可能なエネルギー範囲で追加の量子状態を持つ場合、二量子ゲートの実装を検討する。 我々は最適制御理論を用いて、多レベルヒルベルト空間のキュービット部分空間における2量子ゲートの最大到達ゲート速度を決定し、ゲート速度に対する追加量子状態の影響を分析する。 競合する2つのメカニズムを同定する。 一方、より高いエネルギー準位は一般的に互いにより強く結合している。 適切な条件下では、この強い結合により、2量子ビットゲートは単純な量子ビットに基づく基準値よりも大幅に高速になる。 一方、弱い非調和性は、システムが適切に制御できる速度を制限し、直感的な図によれば、より速い操作ではより強い制御場が必要であり、弱い非調和性システムではより高いレベルを励起する傾向があり、これによりより高速なデコヒーレンスと制御不能なリークにつながる。 この制約を考慮し、我々はパルス最適化アルゴリズムを変更し、高いレベルの高い個体数につながるパルスを避ける。 この場合、より高いレベルの存在は、達成可能な最大ゲート速度を大幅に低下させる可能性がある。 また、最適制御ゲート速度を、クロス共振/選択ダンキングゲートプロトコルを用いて得られるものと比較する。 パラメータ最適化によって,CNOTゲートの比較的高速な実装を実現するために,後者が利用できることがわかった。 これらの結果は、超伝導回路に基づくような現実的な量子コンピューティングアーキテクチャにおける最適化ゲート実装の探索に役立つ。 また、より高レベルな量子ゲートの最適利用を可能にする無調和性に関する望ましい条件のガイドラインも提供している。

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