Modeling and suppressing unwanted parasitic interactions in superconducting circuits

Xu, Xuexin; DiVincenzo, David (Thesis advisor); Hassler, Fabian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Supraleitende Qubits basieren auf kollektiven Anregungen in Josephson-Kontakten. Ihre ausreichend hohe Kontrollierbarkeit und rauscharme Wechselwirkung untereinander machen sie zu einem praktikablen Kandidaten für die Implementierung von Quantencomputern in großem Maßstab. Obwohl es große Verbesserungen in der Kohärenz dieser Qubits gibt, ist der Weg zum Bau eines fehlertoleranten Quantencomputers noch eine große Aufgabe. Dieses Problem kann sich in der unvollkommenen Gattertreue widerspiegeln. Eine Quelle solcher Untreue ist die fundamentale parasitäre Wechselwirkung zwischen wechselwirkenden Qubits. Diese Arbeit befasst sich mit dieser parasitären Wechselwirkung in Zwei- und Drei-Qubit-Schaltungen. Die parasitäre Wechselwirkung spiegelt eine Biegung zwischen rechnerischer und nicht rechnerischer Ebene wider. Diese Biegung erzeugt eine parasitäre ZZ-Wechselwirkung. Wir untersuchen zunächst die Möglichkeit, die ZZ-Wechselwirkung in zwei Qubit- Kombinationen auf Null zu setzen: ein Paar von wechselwirkenden Transmonen sowie ein hybrides Paar von Transmonen, die an ein kapazitiv geshuntetes Flux-Qubit (CSFQ) gekoppelt sind. Wir nutzen unsere Theorie, um die experimentellen Ergebnisse unserer Kollaborateure bei der Messung eines CSFQ-Transmon-Paares in Abwesenheit und Anwesenheit eines Cross-Resonance (CR) Gatters genau zu simulieren. Die beeindruckenden Übereinstimmungen zwischen unserer Theorie und dem Experiment motivierten uns, die Eigenschaften eines CR-Gatters zu untersuchen, das mit 99,9% Genauigkeit in Abwesenheit der statischen ZZ-Wechselwirkung arbeitet. Da der CR-Puls zusätzlich zum statischen Teil eine weitere ZZ-Komponente erzeugt, schlagen wir eine neue Strategie zur Aufhebung der gesamten ZZ-Wechselwirkung vor und bezeichnen diese als dynamische ZZ-Freiheit. Diese Freiheit kann in All- Transmon-Schaltkreisen existieren und erlaubt es perfekte Verschränkung zu erzeugen. Basierend auf unseren Erkenntnissen schlagen wir ein neues Zwei-Qubit-Gatter vor, nämlich das parasitenfreie (PF) Gatter. Außerdem zeigen wir, dass wir die ZZ- Wechselwirkung ausnutzen und verstärken können, um ein kontrolliertes Z-Gatter zu realisieren. Schließlich untersuchen wir den Einfluss eines dritten Qubits auf das Verhalten des Zwei-Qubit-Gatters und diskutieren mehrere Beispiele, um die Eigenschaften der Zwei-Körper-ZZ- und Drei-Körper-ZZZ-Wechselwirkungen in Schaltungen mit mehr als zwei Qubits zu veranschaulichen.