論文の概要: Ultrafast Single Qubit Gates through Multi-Photon Transition Removal

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.22365v1
• Date: Thu, 27 Nov 2025 12:04:18 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-01 19:47:55.548248
• Title: Ultrafast Single Qubit Gates through Multi-Photon Transition Removal
• Title（参考訳）: 多光子遷移除去による超高速単一ビットゲート
• Authors: Y. Gao, A. Galicia, J. D. Da Costa Jesus, Y. Liu, Y. Haddad, D. A. Volkov, J. R. Guimarães, H. Bhardwaj, M. Jerger, M. Neis, B. Li, F. A. Cárdenas-López, F. Motzoi, P. A. Bushev, R. Barends,
• Abstract要約: 総リークエラーが2.0times10-5$以下である単一キュービットゲートは、パルス長が99.98%以上で、X$とX/2$の両方で6.8 nsになる。 このような短いゲート期間と強い駆動強度において、主誤差源は高次遷移によるものである。 これは全て広く使われている超伝導トランスモン量子ビット(英語版)で示されており、これは弱い無調和な構造を持ち、高次遷移に悩まされている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.23191656838250044
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: One of the main enablers in quantum computing is having qubit control that is precise and fast. However, qubits typically have multilevel structures making them prone to unwanted transitions from fast gates. This leakage out of the computational subspace is especially detrimental to algorithms as it has been observed to cause long-lived errors, such as in quantum error correction. This forces a choice between either achieving fast gates or having low leakage. Previous works focus on suppressing leakage by mitigating the first to second excited state transition, overlooking multi-photon transitions, and achieving faster gates with further reductions in leakage has remained elusive. Here, we demonstrate single qubit gates with a total leakage error consistently below $2.0\times10^{-5}$, and obtain fidelities above $99.98\%$ for pulse durations down to 6.8 ns for both $X$ and $X/2$ gates. This is achieved by removing direct transitions beyond nearest-neighbor levels using a double recursive implementation of the Derivative Removal by Adiabatic Gate (DRAG) method, which we name the R2D method. Moreover, we find that at such short gate durations and strong driving strengths the main error source is from these higher order transitions. This is all shown in the widely-used superconducting transmon qubit, which has a weakly anharmonic level structure and suffers from higher order transitions significantly. We also introduce an approach for amplifying leakage error that can precisely quantify leakage rates below $10^{-6}$. The presented approach can be readily applied to other qubit types as well.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングの主要な実現要因の1つは、正確で高速な量子ビット制御である。 しかし、キュービットは通常、高速ゲートからの望ましくない遷移を生じさせるような多層構造を持つ。 計算部分空間からのこの漏れは、特に量子エラー補正のような長寿命エラーを引き起こすことが観測されているため、アルゴリズムに有害である。 これにより、高速ゲートを達成するか、漏れが少ないかを選択せざるを得ない。 従来の研究は、第1から第2の励起状態遷移を緩和し、多光子遷移を見渡すことで漏れを抑制することに重点を置いており、さらに漏れを減らしてより高速なゲートを達成している。 ここでは、総リークエラーが$2.0\times10^{-5}$以下であることを示し、パルス長が$99.98\%$以上であれば、$X$と$X/2$のいずれの場合も6.8 nsまで低下する。 これは、R2D法(R2D法)と呼ばれるAdiabatic Gate (DRAG) 法による導出性除去の二重再帰的実装を用いて、最も近い隣り合うレベルを超える直接遷移を除去することで達成される。 さらに、このような短いゲート期間と強い駆動強度では、これらの高次遷移による主誤差源となることが判明した。 これは全て広く使われている超伝導トランスモン量子ビット(英語版)で示されており、これは弱い無調和な構造を持ち、高次遷移に悩まされている。 また,リークエラーを増幅する手法を導入し,10～6ドル以下のリーク率を正確に定量化する。 提案したアプローチは、他のキュービットタイプにも容易に適用できる。

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