超导量子比特的量子计算

量子计算机可以解决计算问题,经典计算机无法解决在实践中[1,2]。这样的装置必须满足一定标准[3],如能够初始化状态的基本构建块和高保真-量子比特。10倍加速在重置演示了对于一个给定的忠诚,以及提高10倍的最终状态准备富达使用一个活跃的超导量子比特的复位方法。

由一个单发的测量方法量子位国家紧随其后的是一个条件单量子位的量子位门操作,旋转到基态,如果它被发现在激发态[4]。方法与简单替代状态初始化相比,被动等待量子位腐烂,和量化的速度和富达主动法的优势。速度是重要的获取实验重复率高。

活跃的速度通常是有限的方法实现反馈延迟。被动方法的速度限制量子位一生这不切实际的制造的进步导致改善量子位的有生之年。忠诚的积极方法可以超过极限温度设定的系统适用于被动的方法。

实施积极的量子位重置的主要问题是需要低延迟信号处理和信号生成条件。苏黎世仪器UHFLI允许反馈一微秒的规模由于它将快速数字锁定放大器,任意波形发生器,加入这两个和跨域触发引擎。UHFLI使活跃量子位重置可用没有开发和维护的成本一个定制的数字信号处理解决方案[4]。

设置和样本

示例使用如图1所示(一个):它包含铌和铝合金谐振电路制成的蓝宝石衬底[5]。量子位插图所示是一个非线性谐振器形成一个小的超导量子干涉器件(鱿鱼)作为一个非线性电感器和一个芯片上的电容器(橙色的图片)。鱿鱼设计使量子位的频率可调频率范围从4到7.5 GHz通过应用一个小磁场的装置。

共面波导(绿色)指南的外部控制信号量子位,这是附加到coplanar-waveguide谐振器(蓝色)[6]4.78 GHz的频率。这个读出谐振器是通过一个连接片上珀塞尔过滤器一对同轴电缆,为阅读提供的接口量子位的量子态。图1 (b)描绘了一个示意图的测量设置稀释样品放置在一个冰箱,提供一个孤立的低温环境保护样品的量子特性。

图1所示。(a)示例显示读出谐振器的光学显微照片(蓝色)和量子位电容器板(橙色)。谐振器耦合到输入和输出线通过一个珀塞尔过滤器[7](青色)。量子位的Insets显示放大视图和谐振器之间的耦合器和珀塞尔过滤器。(b)实验装置的简化图基于UHFLI仪器集成一个锁定放大器和一个美国线规。超导量子位样品稀释冰箱里冷却。

控制脉冲是由正交调制的微波信号使用两个AWG频道。量子位的脉冲读出是由喂养的AWG标记通道的门输入微波频率信号发生器。传输通过读出谐振器后,使用参量放大器脉冲提高低温、室温低噪声放大器紧随其后。

然后下转换信号在模拟域的中频f_如果28.125 MHz。雇佣一个UHFLI锁定放大器通道、信号进一步下转换在数字域。由此产生的同相正交分量信号然后数字化利用超高频的UHF-DIG数字化仪模块装置。

量子位拉比振荡测量进行了[8]允许最优的一组参数的识别的量子位π控制脉冲用于激发和重置量子位。我们使用一阶拖脉冲波形中描述Ref。[9]。

活跃的量子位重置

单发量子位测量

测量原始量子位的状态标志着活跃的量子位复位周期的开始。通过测量获得的量子位状态下转换脉冲读出信号锁定放大器和将获得正交电压最敏感的量子位状态变化阈值。高性能的基于参量放大器放大链使信噪比足够大来区分量子位州在一枪没有平均重复实验来获得。

能够实现单发读出要求活跃量子位重置。图2显示被测信号的直方图交40000多重复相同的实验。在图2 (a),测量没有使用过国家控制脉冲测量,因此量子位是预计将在靠近地面的热平衡状态(被动重置)。

在图2 (b),π脉冲应用立即状态测量之前,这两个局部极大值匹配量子位地面和第一激发态识别,和一个较弱的最大的下半部分情节也许是因为人口的第二激发态。大多数国家的对比测量同相(I)信号中包含的组件。我们国家歧视设置阈值为1 mV(红色竖线)。

图2。直方图的集成信号正交重复单发测量状态。(a)展示了直方图在测量量子位的热平衡基态后等待的时间更长比量子位一生之前,一个单独的测量。(b)显示了应用π脉冲后的直方图的量子位。这两个极大值的直方图(a)和(b)确定量子位的地面和激发态,分别。红色数字是相对重要的一部分区域分隔的红线代表国家歧视阈值用于主动量子位重置。(b)的基态的人口主要是由于放松在读出。

实现与UHF-AWG反馈

内部的跨域触发UHFLI配置来执行量子位国家歧视。这种歧视后的数字信号用于定义一个序列中的分支点UHF-AWG序列程序决定了AWG将输出一个双通道π脉冲,或没有信号。LabOne AWG音序器允许制定相应的硬件指令在一个简单易读的,叫做SeqC高级编程语言。这个项目的核心部分是如图3所示。

第一个指令的程序启动播放波形w_read。这个波形数字标记,采用门信号来生成一个读出微波脉冲。播放后,音序器指示等到在wait_time跨域触发引擎表现国家歧视操作和读出信号是可以实现的。然后读取的二进制结果歧视的音序器qb_state并存储在运行时变量。

随后的switch语句包含两个分支,其中一个是有条件地执行的价值qb_state(0或1)。一个分支连接的双通道回放波形w_pi_1和w_pi_2(量子位π脉冲),其他的回放新鲜感波形w_zero_1和w_zero_2相同的长度。程序的这一部分的波形在同一程序中定义(图中未显示)使用数学函数评估由编译器。

图3。核心部分的序列程序SeqC语言用于控制条件的反馈作用。

反复活跃量子位重置

量子位重置的效率可以增加重复上述反馈周期,允许sub-percent-level激发态人口达到——比可能通过使用一个反馈循环。重复的循环是通过循环在上面所示的代码段。

蓝色曲线在图4说明量子位的发展状态在一个量子位重置协议组成的23一个反馈循环的重复。蓝色的方块激发态人口平均超过40000次的重复性实验。比较衰变曲线与观察到的一个不活跃的重置,量子位的对照实验完成状态以同样的方式被反复读出与活跃的重新启用,但没有一个π脉冲应用于量子位。衰变曲线没有反馈,但随着重复测量,是相同的衰变曲线测量与传统的T₁测量如[8]中描述的一个。

在第一次反馈周期或1.48µs,量子位激发态人口下降到大约12%。采用被动方法,达到这一水平需要大约14µs。四到五个复制后,最初快速衰减逐渐放缓但激发态人口继续减少。23日反馈重复之后,它已经下降到0.3%以下,而在被动方法残余占领收敛于3%经过长时间的等待时间,也参见图2 (a)的测量。

图4。时间演化的平均量子位激发态占领与主动和被动量子位重置,分别。开始之前的协议,通过应用π脉冲初始化量子位。每1.48微秒,测量。每次测量后,有条件的π脉冲应用启动一个活跃的重置,或不申请被动复位脉冲。

反馈延迟

反馈延迟是演绎的忠诚的关键活跃量子位重置。一个小延迟减少错误发生的主要原因在每个反馈循环,自发的量子位之间发生衰变读出和π的脉搏。这种机制约占19%的误差计算T量子位的一生₁7.1µs和一个完整的周期1.48µs反馈循环。此外,一个小延迟显示更多的复位周期可以在相同的时间来完成。在下面,测量反馈延迟在配置用于上述实验进行了讨论。

图5显示了设置用于这些测量。与设置在图1中,布线是改变所以量子位控制信号和读出返回信号被重定向到一个示波器。UHFLI因此不接受读出信号和控制信号生成的UHF-AWG不到达量子位。的信号处理延迟UHFLI仪器受到这些变化的影响,然而,设置允许观察相同的延迟,适用于实际的测量,参考飞机UHFLI信号的输入和输出连接器。

图5。设置用来测量反馈延迟活动量子位的重置。量子位控制信号和量子位读出信号路由的电缆长度相等UHFLI示波器。门UHF-AWG标记生成的信号通道1是通过一个丁字片连接到示波器触发。UHFAWG音序器执行相同的程序在实验中,这使得这个测量的时间等于时机在实际的实验中。

图6显示了量子位读出和控制信号的测量配置。读出信号在中频(上)平均在多个收购范围,使其时间清晰可见,尽管噪音。从一开始读出信号的破裂量子位的开始控制脉冲产生的AWG,延迟1.12µs测量。这部分时间是0.37µs允许的信号积分时间足够高信噪比的单发读出。0.75µs,其余来自其他信号处理如A / D和D / A转换或解调和表示的最小延迟与超高频仪器可以实现的。

图6。引用超高频的反馈延迟测量仪器前面板连接器。双通道AWG信号开始1.12μs读出脉冲的开始。输入信号被平均以识别读出脉冲使用示波器的开始。

结论

显示的测量值量化的好处活跃量子位复位方法和确定其实现的缓解UHFLI锁定放大器和UHF-AWG任意波形发生器。重置为给定的忠诚的十倍加速和提高十倍的最终状态准备富达实现相比,被动的复位方法。

这些结果建立在强大,低延迟的数字信号处理工具苏黎世的仪器超高频乐器。灵活的扩展multi-qubit可能促成的测量和控制系统来实现解调在多个频率UHF-MF选项。多个AWG序列分支还允许更复杂的反馈协议,如考虑检测更高的激发态。

确认

苏黎世仪器要感谢教授沃和他的量子装置实验室成员在苏黎世联邦理工学院,瑞士,这些测量。特别感谢去米歇尔Collodo。感谢西奥多·沃尔特·萨拉瑟博士,提供量子位样本和伊夫·西蒙尼·Gasparinetti,菲利普Kurpiers支持的测量和讨论。这项工作是由瑞士联邦经济事务部、教育和研究通过技术和创新(CTI)的佣金。

引用

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这些信息已经采购,审核并改编自苏黎世仪器提供的材料。亚博网站下载

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