Programmable Parametric Resonator with Independent G-SNAIL-based Modulation

Opis projektu

Poprawa precyzji w obwodach komputerów kwantowych

W obwodach nadprzewodnikowych tworzenie dowolnych stanów o zmiennych ciągłych opierało się dotąd na modulacji sygnału sterującego kubitem lub rezonatorem. Jednak ta standardowa technika posiada ograniczenie w postaci nieliniowości Kerra dotyczącej wnęki, która zniekształca stany i ogranicza precyzję działania. Projekt PPRISM-G, wspierany przez program działań „Maria Skłodowska-Curie”, zakłada przełamanie tego ograniczenia poprzez opracowanie programowalnego rezonatora parametrycznego wyposażonego w niezależną modulację za pomocą gradiometrycznego, nadprzewodzącego, nieliniowego, asymetrycznego elementu indukcyjnego (G-SNAIL), co pozwoli na uzyskanie wysoce regulowanego, nisko-szumowego odczytu kubitów w obliczeniach kwantowych. Do głównych celów projektu należy zbudowanie rezonatora G-SNAIL, ocena jego rekonfigurowalności poprzez mapowanie współczynnika Kerra oraz weryfikacja wydajności poprzez tworzenie stanów niegaussowskich i uniwersalne sterowanie trybem zmiennej ciągłej.

Cel

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.