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Designing and modeling of flexible and high-fidelity two-qubit gate and coupler for superconducting qubits
2026
Dissertation, RWTH Aachen University, 2026
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-11
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06036
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037416/files/1037416.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
circuit QED (frei) ; coupler (frei) ; superconducting qubits (frei) ; two-qubit gates (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Quantencomputing birgt großes Potenzial sowohl für wissenschaftliche Entdeckungen als auch für kommerzielle Anwendungen. Supraleitende Quantensysteme haben sich als eine der führenden Architekturen für skalierbares Quantencomputing etabliert. Auf dem Weg zur praktischen Realisierung von Quantencomputern stellt die Verbesserung der Zweiqubit-Gatterfidelität eine zentrale Herausforderung dar. Sie ist sowohl für kurzfristige, noch nicht fehlertolerante Quantencomputer als auch für zukünftige fehlertolerante Systeme von entscheidender Bedeutung. Diese Dissertation zielt darauf ab, eine umfassende Untersuchung von Zweiqubit-Gattern in supraleitenden Systemen bereitzustellen. Der Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Gatterfidelität durch den Einsatz verschiedener Ansteuerungsschemata und Koppler-Designs. Die Dissertation enthält zwei wesentliche originäre Beiträge. Erstens wird eine neuartige Methode zur Implementierung kontinuierlicher fSim-Gatter vorgeschlagen und detailliert analysiert. Die fSim-Gatterfamilie vereint die $i$SWAP- und CPHASE-Operationen in einem einzigen parametrisierbaren Zweiqubit-Gatter mit variablen Rotationswinkeln und konditionaler Phase. Aufgrund dieser Flexibilität ist diese Gatterfamilie besonders interessant für die Quantensimulation fermionischer Systeme. Zweitens wird ein theoretischer Rahmen für Mehrmoden-Koppler entwickelt. Es wird ein Mehrmoden-Kopplerdesign vorgeschlagen, das eine vollständig lokalisierte Entkopplung zwischen Qubits sowie eine unabhängige Kontrolle der Qubit-Qubit-Wechselwirkungen in verschiedenen Anregungsunterräumen ermöglicht. Als konkretes Beispiel wird der Fall zweier Qubits, die über einen Zweimoden-Koppler gekoppelt sind, ausführlich untersucht. Aufbauend auf der Theorie der fSim-Gatter und dem Mehrmoden-Kopplerdesign werden mehrere zukünftige Forschungsrichtungen aufgezeigt. Pulsniveau-Algorithmen zur Simulation elektronischer Systeme werden als wichtige Anwendung der fSim-Gatter diskutiert. Darüber hinaus wird eine Dreimoden-Kopplerarchitektur vorgeschlagen. Zudem wird die Bedeutung der Einbeziehung offener Quantensystemdynamik für eine realistische Modellierung des Kopplerverhaltens und der Gatterleistung hervorgehoben. Abschließend wird ein einheitlicher Modellierungsrahmen für supraleitende Quantenprozessoren vorgestellt, der einen systematischen Vergleich von Gatterfidelitäten über verschiedene theoretische Ansätze hinweg ermöglicht und damit zur Verbesserung der Quantenhardware beitragen kann.Quantum computing holds great promise for both scientific discovery and commercial applications. Superconducting quantum systems have become one of the leading architectures for large-scale quantum computing. Towards realizing practical quantum computing, improving two-qubit gate fidelity is a crucial task. It is relevant for both near-term pre-fault-tolerant quantum computers and future fault-tolerant quantum computers. This dissertation aims to provide a comprehensive study of two-qubit gates in superconducting systems. The major focus is on improving gate fidelity via using different drive schemes and coupler designs. The dissertation contains two primary original contributions. First, a novel method for implementing continuous fSim gates is proposed and analyzed in detail. The fSim gate set is a family of gates that combines $i$SWAP gate and CPHASE gate into one gate with variable rotation angles and conditional phase. This gate set is particularly interesting for quantum simulation of fermionic systems. Second, a theoretical framework for multi-mode couplers is developed. A multi-mode coupler design is proposed to enable fully localized decoupling among qubits and independent control of qubit-qubit interactions in different excitation subspaces. An example of two qubits coupled by a two-mode coupler is studied in detail. Building on the fSim gate theory and multi-mode coupler design, several future research directions are outlined. Pulse-level algorithms for simulating electronic systems are discussed as a key application of fSim gates. A three-mode coupler architecture is further introduced. In addition, the importance of incorporating open-system dynamics for accurate modeling of coupler behavior and gate performance is emphasized. Finally, a unified framework for modeling superconducting quantum processors is proposed, providing a systematic way to compare gate fidelities across theoretical approaches and ultimately guide improvements in quantum hardware performance.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031512937
Interne Identnummern
RWTH-2026-06036
Datensatz-ID: 1037416
Beteiligte Länder
Germany
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