Programmable Parametric Resonator with Independent G-SNAIL-based Modulation

Descrizione del progetto

Migliorare la precisione nei circuiti di calcolo quantistico

Nei circuiti superconduttori, la creazione di stati arbitrari a variabile continua si basa tradizionalmente sulla modulazione dell’eccitazione dei qubit o dei risonatori. Tuttavia, questa tecnica standard è in ultima analisi limitata dalla non linearità di Kerr intrinseca alla cavità, che distorce gli stati e limita la precisione operativa. Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto PPRISM-G mira a superare questo ostacolo sviluppando un risonatore parametrico programmabile dotato di modulazione gradiometrica indipendente tramite un elemento induttivo asimmetrico non lineare superconduttore (G-SNAIL), al fine di ottenere una lettura dei qubit altamente sintonizzabile e a basso rumore nel calcolo quantistico. Tra gli obiettivi principali del progetto figurano la realizzazione del risonatore G-SNAIL, la valutazione della sua riconfigurabilità mediante la mappatura del coefficiente di Kerr e la verifica delle prestazioni attraverso la creazione di stati non gaussiani e il controllo universale della modalità a variabile continua.

Obiettivo

Two paradigmatic approaches for generating arbitrary continuous-variable (CV) states in a qubit–resonator system rely on time-modulating either the qubit drive or the resonator drive. However, the intrinsic Kerr nonlinearity of superconducting cavities imposes a fundamental limit on operation fidelity. Terminating a resonator with a Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) can mitigate this limitation by providing flux-tunable third- and fourth-order nonlinearities. While the SNAIL’s nonlinear terms are tunable in general, they become fixed at the Kerr-free point, constraining control over gate strengths. This proposal develops a Programmable Parametric Resonator incorporating a Gradiometric SNAIL (G-SNAIL), which is a two-loop, symmetric extension of the SNAIL with a central Josephson junction array flanked by two smaller-critical-current junctions. In contrast to standard SNAILs, the G-SNAIL enables independent, simultaneous tuning of cubic and quartic nonlinearities with negligible frequency perturbation, preserving coherence while expanding functional versatility. This is achieved via dual-flux biasing of the loops, allowing continuous control, and sign reversal, of the Kerr coefficient through the interplay of cubic and quartic terms. The G-SNAIL-terminated resonator functions as a compact, reconfigurable nonlinearity module capable of implementing a universal set of bosonic operations within a single element, reducing hardware complexity by eliminating multiple fixed-design components. The proposed program includes: (i) design, fabrication, and spectral characterization of the G-SNAIL resonator; (ii) Kerr-coefficient mapping to quantify its reconfigurability; and (iii) benchmarking via universal CV mode control and non-Gaussian state generation. This platform paves the way for scalable, fault-tolerant CV quantum computation, with potential transformative impact on high-precision quantum sensing.