論文の概要: Quantum Benchmarking of High-Fidelity Noise-Biased Operations on a Detuned-Kerr-Cat Qubit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.04442v3
• Date: Fri, 08 Aug 2025 00:32:18 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-11 14:17:28.881529
• Title: Quantum Benchmarking of High-Fidelity Noise-Biased Operations on a Detuned-Kerr-Cat Qubit
• Title（参考訳）: 可変Kerr-Cat量子ビット上での高密度ノイズバイアス動作の量子ベンチマーク
• Authors: Bingcheng Qing, Ahmed Hajr, Ke Wang, Gerwin Koolstra, Long B. Nguyen, Jordan Hines, Irwin Huang, Bibek Bhandari, Larry Chen, Ziqi Kang, Christian Jünger, Noah Goss, Nikitha Jain, Hyunseong Kim, Kan-Heng Lee, Akel Hashim, Nicholas E. Frattini, Zahra Pedramrazi, Justin Dressel, Andrew N. Jordan, David I. Santiago, Irfan Siddiqi,
• Abstract要約: 我々は、スケーラブルなノイズバイアス量子ビット(detuned Kerr-cat qubit)のための量子制御ツールボックスを開発した。 ゲートセットトモグラフィーと二面ランダム化ベンチマークを用いて,これらの動作の雑音構造を系統的に解析する。 以上の結果から,ビットフリップ時間と位相フリップ時間のみから推定される動作騒音バイアスの重大な過大評価が得られた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.4812736095876513
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Ubiquitous noises in quantum systems remain a key obstacle to building quantum computers, necessitating the use of quantum error correction codes. Recently, error-correcting codes tailored for noise-biased systems have been shown to offer high fault-tolerance thresholds and reduced hardware overhead, positioning noise-biased qubits as promising candidates for building universal quantum computers. However, quantum operations on these platforms remain challenging, and their noise structures have not yet been rigorously benchmarked to the same extent as those of conventional quantum hardware. In this work, we develop a comprehensive quantum control toolbox for a scalable noise-biased qubit, detuned Kerr-cat qubit, including initialization, universal single-qubit gates and quantum non-demolition readout. We systematically characterize the noise structure of these operations using gate set tomography and dihedral randomized benchmarking, achieving high local gate fidelities, with $\mathcal{F}[Z(\pi/2)]=99.2\%$ and $\mathcal{F}[X(\pi/2)]=92.5\%$. Notably, the noise bias of the detuned Kerr-cat qubit approaches 250, which outperforms its resonant-Kerr-cat qubit counterparts as reported previously, representing a new state-of-the-art performance benchmark for noise-biased qubits. Moreover, our results reveal a critical overestimation of operational noise bias inferred from bit-flip and phase-flip times alone, highlighting the necessity of a precise and direct benchmarking for noise-biased qubit operations. Our work thus establishes a framework for systematically characterizing and validating the performance of quantum operations in structured-noise architectures, which lays the groundwork for implementing efficient quantum error correction in next-generation architectures.
• Abstract（参考訳）: 量子系におけるユビキタスノイズは、量子コンピュータを構築する上で重要な障害であり、量子エラー訂正符号を使用する必要がある。 近年、ノイズバイアス付きシステムに適した誤り訂正符号は、高い耐故障しきい値とハードウェアオーバーヘッドを低減し、ノイズバイアス付き量子ビットを普遍量子コンピュータ構築の候補として位置づけることが示されている。 しかし、これらのプラットフォームでの量子演算は依然として困難であり、そのノイズ構造は従来の量子ハードウェアと同じ程度まで厳格にベンチマークされていない。 本研究では,拡張性のあるノイズバイアス量子ビット(Kerr-cat qubit)のための包括的量子制御ツールボックスを開発した。 ゲートセットトモグラフィーと二面ランダム化ベンチマークを用いてこれらの演算のノイズ構造を体系的に特徴付け、高い局所ゲート忠実度を実現し、$\mathcal{F}[Z(\pi/2)]=99.2\%$および$\mathcal{F}[X(\pi/2)]=92.5\%$とする。 特に、デチューンされたKerr-cat量子ビットのノイズバイアスは250に近づき、前述したように共鳴Kerr-cat量子ビットよりも優れており、ノイズバイアスのある量子ビットに対する新しい最先端のパフォーマンスベンチマークを表している。 さらに,この結果から,ビットフリップと位相フリップのみから推定される動作雑音バイアスの重要過大評価が明らかとなり,ノイズバイアス付きキュービット演算における正確な直接ベンチマークの必要性が示唆された。 そこで本研究は,構造化ノイズアーキテクチャにおける量子演算の性能を体系的に評価し,検証する枠組みを確立し,次世代アーキテクチャにおける効率的な量子誤り訂正を実現するための基盤となる。

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