빠른 마이크로파 구동 플럭소미엄 트랜스몬 커플러를 이용한 두 큐비트 게이트

초록

플럭소미엄 큐비트 두 개를 전기용량으로 결합한 트랜스몬 커플러를 매개로, 마이크로파 펄스를 선택적으로 가해 60 ns 이하의 짧은 시간에 99 % 수준의 조건부 위상(CZ) 게이트를 구현하였다. 잔여 ZZ 결합을 최소화하고, 해석적으로 설계한 펄스 형태로 비원치 전이 억제와 커플러 이완 제한을 동시에 만족시켰다.

상세 분석

본 논문은 플럭소미엄(qubit)과 트랜스몬(coupler) 사이의 전기용량 결합을 이용해 고유한 조건부 전이 주파수를 만들고, 이를 마이크로파 드라이브로 선택적으로 자극함으로써 두 큐비트 사이에 빠른 CZ 게이트를 구현한다는 점에서 혁신적이다. 플럭소미엄은 낮은 전이 주파수(≈100 MHz)와 큰 비조화(anharmonicity)를 가지고 있어 전통적인 전기용량 결합만으로는 충분히 강한 상호작용을 얻기 어렵다. 이를 보완하기 위해 트랜스몬 커플러를 도입했으며, 커플러와 플럭소미엄 사이의 결합 강도(g_ic)와 플럭소미엄 간 직접 결합(g_12)을 정밀히 설계해 잔여 ZZ(χ_ZZ) 결합을 –20 Hz 수준으로 억제하였다. 이는 두 큐비트가 비활성 상태일 때 거의 독립적으로 동작함을 의미한다.

조건부 전이 주파수 ω_ij는 플럭소미엄 상태 |ij⟩에 따라 달라지며, 특히 |11⟩ 상태에서만 ω_11이 다른 세 상태와 충분히 분리된다. 논문은 이 주파수 차이를 400 MHz 이상 확보해, 2π 회전을 위한 마이크로파 펄스가 다른 전이(ω_00, ω_01, ω_10)를 거의 흡수하지 않도록 설계했다. 펄스 형태는 해석적으로 유도된 상승 코사인(raised‑cosine) 형태 Ω_I(t)=Ω/2