- Open Access
Optimizing the Frequency Positioning of Tunable Couplers in a Circuit QED Processor to Mitigate Spectator Effects on Quantum Operations
Phys. Rev. Lett. 136, 200801 – Published 18 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/wdfj-4nbt
Abstract
We experimentally optimize the frequency of flux-tunable couplers in a superconducting quantum processor to minimize the impact of spectator transmons during quantum operations (single-qubit gates, two-qubit gates, and readout) on other transmons. We adapt a popular transmonlike tunable-coupling element, achieving high-fidelity, low-leakage controlled- gates with unipolar, fast-adiabatic pulsing only on the coupler. We demonstrate the ability of the tunable coupler to null residual- coupling as well as exchange couplings in the one- and two-excitation manifolds. However, the nulling of these coherent interactions is not simultaneous, prompting the exploration of trade-offs. We present experiments pinpointing spectator effects on specific quantum operations. We also study the combined effect on the three types of operations using repeated quantum parity measurements.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
Supplemental Material
References (84)
- J. F. Marques, B. M. Varbanov, M. S. Moreira, H. Ali, N. Muthusubramanian, C. Zachariadis, F. Battistel, M. Beekman, N. Haider, W. Vlothuizen, A. Bruno, B. M. Terhal, and L. DiCarlo, Nat. Phys. 18, 80 (2022).
- E. J. Zhang et al., Sci. Adv. 8, eabi6690 (2022).
- D. P. Pappas, M. Field, C. J. Kopas, J. A. Howard, X. Wang, E. Lachman, J. Oh, L. Zhou, A. Gold, G. M. Stehl, K. Yadavalli, E. A. Sete, A. Bestwick, M. J. Kramer, and J. Y. Mutus, Commun. Mater. 5, 150 (2024).
- T. Hime, P. A. Reichardt, B. L. T. Plourde, T. L. Roberson, C.-E. Wu, A. V. Ustinov, and J. Clarke, Science 314, 1427 (2006).
- P. Bertet, C. J. P. M. Harmans, and J. E. Mooij, Phys. Rev. B 73, 064512 (2006).
- A. O. Niskanen, K. Harrabi, F. Yoshihara, Y. Nakamura, S. Lloyd, and J. S. Tsai, Science 316, 723 (2007).
- S. H. W. van der Ploeg, A. Izmalkov, A. M. van den Brink, U. Hübner, M. Grajcar, E. Il’ichev, H.-G. Meyer, and A. M. Zagoskin, Phys. Rev. Lett. 98, 057004 (2007).
- R. Harris, A. J. Berkley, M. W. Johnson, P. Bunyk, S. Govorkov, M. C. Thom, S. Uchaikin, A. B. Wilson, J. Chung, E. Holtham, J. D. Biamonte, A. Y. Smirnov, M. H. S. Amin, and A. Maassenvandenbrink, Phys. Rev. Lett. 98, 177001 (2007).
- M. S. Allman, F. Altomare, J. D. Whittaker, K. Cicak, D. Li, A. Sirois, J. Strong, J. D. Teufel, and R. W. Simmonds, Phys. Rev. Lett. 104, 177004 (2010).
- R. C. Bialczak, M. Ansmann, M. Hofheinz, M. Lenander, E. Lucero, M. Neeley, A. O’Connell, D. Sank, H. Wang, M. Weides, J. Wenner, T. Yamamoto, A. N. Cleland, and J. M. Martinis, Phys. Rev. Lett. 106, 060501 (2011).
- S. J. Srinivasan, A. J. Hoffman, J. M. Gambetta, and A. A. Houck, Phys. Rev. Lett. 106, 083601 (2011).
- Y. Yin, Y. Chen, D. Sank, P. J. J. O’Malley, T. C. White, R. Barends, J. Kelly, E. Lucero, M. Mariantoni, A. Megrant, C. Neill, A. Vainsencher, J. Wenner, A. N. Korotkov, A. N. Cleland, and J. M. Martinis, Phys. Rev. Lett. 110, 107001 (2013).
- B. Peropadre, D. Zueco, F. Wulschner, F. Deppe, A. Marx, R. Gross, and J. J. García-Ripoll, Phys. Rev. B 87, 134504 (2013).
- I.-C. Hoi, A. F. Kockum, T. Palomaki, T. M. Stace, B. Fan, L. Tornberg, S. R. Sathyamoorthy, G. Johansson, P. Delsing, and C. M. Wilson, Phys. Rev. Lett. 111, 053601 (2013).
- M. Pierre, I.-M. Svensson, S. Raman Sathyamoorthy, G. Johansson, and P. Delsing, Appl. Phys. Lett. 104, 232604 (2014).
- Y. Chen, C. Neill, P. Roushan, N. Leung, M. Fang, R. Barends, J. Kelly et al., Phys. Rev. Lett. 113, 220502 (2014).
- D. C. McKay, S. Filipp, A. Mezzacapo, E. Magesan, J. M. Chow, and J. M. Gambetta, Phys. Rev. Appl. 6, 064007 (2016).
- S. J. Weber, G. O. Samach, D. Hover, S. Gustavsson, D. K. Kim, A. Melville, D. Rosenberg, A. P. Sears, F. Yan, J. L. Yoder et al., Phys. Rev. Appl. 8, 014004 (2017).
- Y. Lu, S. Chakram, N. Leung, N. Earnest, R. K. Naik, Z. Huang, P. Groszkowski, E. Kapit, J. Koch, and D. I. Schuster, Phys. Rev. Lett. 119, 150502 (2017).
- M. Kounalakis, C. Dickel, A. Bruno, N. K. Langford, and G. A. Steele, npj Quantum Inf. 4, 1 (2018).
- J. Koch, T. M. Yu, J. Gambetta, A. A. Houck, D. I. Schuster, J. Majer, A. Blais, M. H. Devoret, S. M. Girvin, and R. J. Schoelkopf, Phys. Rev. A 76, 042319 (2007).
- F. Yan, D. Campbell, P. Krantz, M. Kjaergaard, D. Kim, J. L. Yoder, D. Hover, A. Sears, A. J. Kerman, T. P. Orlando, S. Gustavsson, and W. D. Oliver, Phys. Rev. Lett. 120, 260504 (2018).
- S. Rosenblum, Y. Y. Gao, P. Reinhold, C. Wang, C. J. Axline, L. Frunzio, S. M. Girvin, L. Jiang, M. Mirrahimi, M. H. Devoret et al., Nat. Commun. 9, 652 (2018).
- Y. Y. Gao, B. J. Lester, K. S. Chou, L. Frunzio, M. H. Devoret, L. Jiang, S. Girvin, and R. J. Schoelkopf, Nature (London) 566, 509 (2019).
- F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, J. C. Bardin, R. Barends, R. Biswas, S. Boixo, F. G. Brandao, D. A. Buell et al., Nature (London) 574, 505 (2019).
- B. Foxen, C. Neill, A. Dunsworth, P. Roushan, B. Chiaro, A. Megrant, J. Kelly, Z. Chen, K. Satzinger, R. Barends et al., Phys. Rev. Lett. 125, 120504 (2020).
- Google Quantum AI, Nature (London) 595, 383 (2021).
- J. Stehlik, D. M. Zajac, D. L. Underwood, T. Phung, J. Blair, S. Carnevale, D. Klaus, G. A. Keefe, A. Carniol, M. Kumph, M. Steffen, and O. E. Dial, Phys. Rev. Lett. 127, 080505 (2021).
- H. Goto, Phys. Rev. Appl. 18, 034038 (2022).
- K. Kubo and H. Goto, Appl. Phys. Lett. 122, 064001 (2023).
- Google Quantum AI, Nature (London) 614, 676 (2023).
- K. Kubo, Y. Ho, and H. Goto, Phys. Rev. Appl. 22, 024057 (2024).
- Google Quantum AI, Nature (London) 638, 920 (2025).
- X. Zhang, X. Zhang, C. Chen, K. Tang, K. Yi, K. Luo, Z. Xie, Y. Chen, and T. Yan, Phys. Rev. Appl. 24, 034003 (2025).
- R. Li, K. Kubo, Y. Ho, Z. Yan, S. Inoue, Y. Nakamura, and H. Goto, Phys. Rev. Appl. 23, 064069 (2025).
- N. Mehta, J. D. Teoh, T. Noh, A. Agrawal, R. Chamberlain, T.-C. Chien, J. C. Curtis, B. H. Elfeky, S. Farzaneh, B. Gudlewski et al., arXiv:2503.10935.
- P. Mundada, G. Zhang, T. Hazard, and A. Houck, Phys. Rev. Appl. 12, 054023 (2019).
- E. A. Sete, A. Q. Chen, R. Manenti, S. Kulshreshtha, and S. Poletto, Phys. Rev. Appl. 15, 064063 (2021).
- I. N. Moskalenko, I. A. Simakov, N. N. Abramov, A. A. Grigorev, D. O. Moskalev, A. A. Pishchimova, N. S. Smirnov, E. V. Zikiy, I. A. Rodionov, and I. S. Besedin, npj Quantum Inf. 8, 130 (2022).
- F. Marxer, A. Vepsäläinen, S. W. Jolin, J. Tuorila, A. Landra, C. Ockeloen-Korppi, W. Liu, O. Ahonen, A. Auer, L. Belzane et al., PRX Quantum 4, 010314 (2023).
- H.-T. Liu et al., Phys. Rev. Lett. 135, 050602 (2025).
- F. Marxer, J. Mrożek, J. Andersson, L. Abdurakhimov, J. Adam, V. Bergholm, R. Beriwal, C. F. Chan, S. Dahl, S. R. Das et al., arXiv:2508.16437.
- M. C. Collodo, J. Herrmann, N. Lacroix, C. K. Andersen, A. Remm, S. Lazar, J.-C. Besse, T. Walter, A. Wallraff, and C. Eichler, Phys. Rev. Lett. 125, 240502 (2020).
- Y. Xu, J. Chu, J. Yuan, J. Qiu, Y. Zhou, L. Zhang, X. Tan, Y. Yu, S. Liu, J. Li, F. Yan, and D. Yu, Phys. Rev. Lett. 125, 240503 (2020).
- X. Li, T. Cai, H. Yan, Z. Wang, X. Pan, Y. Ma, W. Cai, J. Han, Z. Hua, X. Han, Y. Wu, H. Zhang, H. Wang, Y. Song, L. Duan, and L. Sun, Phys. Rev. Appl. 14, 024070 (2020).
- X. Y. Han, T. Q. Cai, X. G. Li, Y. K. Wu, Y. W. Ma, Y. L. Ma, J. H. Wang, H. Y. Zhang, Y. P. Song, and L. M. Duan, Phys. Rev. A 102, 022619 (2020).
- Y. Sung, L. Ding, J. Braumüller, A. Vepsäläinen, B. Kannan, M. Kjaergaard, A. Greene, G. O. Samach, C. McNally, D. Kim, A. Melville, B. M. Niedzielski, M. E. Schwartz, J. L. Yoder, T. P. Orlando, S. Gustavsson, and W. D. Oliver, Phys. Rev. X 11, 021058 (2021).
- E. A. Sete, N. Didier, A. Q. Chen, S. Kulshreshtha, R. Manenti, and S. Poletto, Phys. Rev. Appl. 16, 024050 (2021).
- Y. Ye, S. Cao, Y. Wu, X. Chen, Q. Zhu, S. Li, F. Chen, M. Gong, C. Zha, H.-L. Huang et al., Chin. Phys. Lett. 38, 100301 (2021).
- L. Ding, M. Hays, Y. Sung, B. Kannan, J. An, A. Di Paolo, A. H. Karamlou, T. M. Hazard, K. Azar, D. K. Kim, B. M. Niedzielski, A. Melville, M. E. Schwartz, J. L. Yoder, T. P. Orlando, S. Gustavsson, J. A. Grover, K. Serniak, and W. D. Oliver, Phys. Rev. X 13, 031035 (2023).
- C. Križan, J. Biznárová, L. Chen, E. Hogedal, A. Osman, C. W. Warren, S. Kosen, H.-X. Li, T. Abad, A. Aggarwal et al., New J. Phys. 27, 074507 (2025).
- N. J. Glaser, F. A. Roy, I. Tsitsilin, L. Koch, N. Bruckmoser, J. Schirk, J. H. Romeiro, G. B. P. Huber, F. Wallner, M. Singh et al., Phys. Rev. Appl. 24, 024048 (2025).
- P. Zhao, Y. Zhang, G. Xue, Y. Jin, and H. Yu, Appl. Phys. Lett. 121, 032601 (2022).
- D. L. Campbell, A. Kamal, L. Ranzani, M. Senatore, and M. D. LaHaye, Phys. Rev. Appl. 19, 064043 (2023).
- L. Caune, L. Skoric, N. S. Blunt, A. Ruban, J. McDaniel, J. A. Valery, A. D. Patterson, A. V. Gramolin, J. Majaniemi, K. M. Barnes et al., arXiv:2410.05202.
- See Supplemental Material at http://link.aps.org/supplemental/10.1103/wdfj-4nbt for additional information supporting statements and claims made in the main text, which includes Refs. [57–66].
- J. Heinsoo, C. K. Andersen, A. Remm, S. Krinner, T. Walter, Y. Salathé, S. Gasparinetti, J.-C. Besse, A. Potočnik, A. Wallraff, and C. Eichler, Phys. Rev. Appl. 10, 034040 (2018).
- S. Vallés-Sanclemente, S. L. M. van der Meer, M. Finkel, N. Muthusubramanian, M. Beekman, H. Ali, J. F. Marques, C. Zachariadis, H. M. Veen, T. Stavenga, N. Haider, and L. DiCarlo, Appl. Phys. Lett. 123, 034004 (2023).
- C. Macklin, K. O’brien, D. Hover, M. Schwartz, V. Bolkhovsky, X. Zhang, W. Oliver, and I. Siddiqi, Science 350, 307 (2015).
- J. Braumüller, L. Ding, A. P. Vepsäläinen, Y. Sung, M. Kjaergaard, T. Menke, R. Winik, D. Kim, B. M. Niedzielski, A. Melville, J. L. Yoder, C. F. Hirjibehedin, T. P. Orlando, S. Gustavsson, and W. D. Oliver, Phys. Rev. Appl. 13, 054079 (2020).
- C. Zhang, T.-L. Wang, L.-L. Guo, X.-Y. Yang, X.-X. Yang, P. Duan, Z.-L. Jia, W.-C. Kong, and G.-P. Guo, Appl. Phys. Lett. 122, 024001 (2023).
- M. A. Rol, L. Ciorciaro, F. K. Malinowski, B. M. Tarasinski, R. E. Sagastizabal, C. C. Bultink, Y. Salathe, N. Haandbaek, J. Sedivy, and L. DiCarlo, Appl. Phys. Lett. 116, 054001 (2020).
- C. Hellings, N. Lacroix, A. Remm, R. Boell, J. Herrmann, S. Lazăr, S. Krinner, F. Swiadek, C. K. Andersen, C. Eichler, and A. Wallraff, arXiv:2503.04610.
- C. C. Bultink, M. A. Rol, T. E. O’Brien, X. Fu, B. C. S. Dikken, C. Dickel, R. F. L. Vermeulen, J. C. de Sterke, A. Bruno, R. N. Schouten, and L. DiCarlo, Phys. Rev. Appl. 6, 034008 (2016).
- E. Magesan, J. M. Gambetta, A. D. Córcoles, and J. M. Chow, Phys. Rev. Lett. 114, 200501 (2015).
- C. A. Ryan, B. R. Johnson, J. M. Gambetta, J. M. Chow, M. P. da Silva, O. E. Dial, and T. A. Ohki, Phys. Rev. A 91, 022118 (2015).
- Quantum Inspire website: https://www.quantum-inspire.com/.
- J. F. Marques, M. Moreira, A. Chapple, O. Benhayoune Khadraoui, B. Varbanov, A. McDonald, W. Banner, G. Cutter, M. Hays, H. Zhang, K. Nesterov, Y. Sung, M. Gingras, J. Knecht, B. Niedzielski, H. Stickler, M. Schwartz, A. Blais, K. Serniak, J. Grover, and W. Oliver, A fluxonium architecture for QEC, Part 2: Extensible and spectator-error-free two-qubit gate scheme, in APS Global Summit 2025 (American Physical Society, Anaheim, CA, 2025), MAR-J18/11.
- T. Noh, N. Mehta, J. Teoh, K. Chow, P. Lu, G. Liu, T. Keen, J. Yuan, S. Mundhada, J. Aumentado, S. H. Moseley, and R. Schoelkopf, Error-detected entangling gate operations between dual-rail cavity cavity qubit—Part 1, in APS Global Summit 2025 (American Physical Society, Anaheim, CA, 2025), MAR-L17/2.
- N. Mehta, T. Noh, J. Teoh, K. Chow, P. Lu, G. Liu, T. Keen, J. Yuan, S. Mundhada, J. Aumentado, S. H. Moseley, and R. Schoelkopf, Error-detected entangling gate operations between dual-rail cavity cavity qubit—Part 2, in APS Global Summit 2025 (American Physical Society, Anaheim, CA, 2025), MAR-L17/3.
- V. Negîrneac, H. Ali, N. Muthusubramanian, F. Battistel, R. Sagastizabal, M. S. Moreira, J. F. Marques, W. J. Vlothuizen, M. Beekman, C. Zachariadis, N. Haider, A. Bruno, and L. DiCarlo, Phys. Rev. Lett. 126, 220502 (2021).
- E. H. Chen, T. J. Yoder, Y. Kim, N. Sundaresan, S. Srinivasan, M. Li, A. D. Corcoles, A. W. Cross, and M. Takita, Phys. Rev. Lett. 128, 110504 (2022).
- D. I. Schuster, A. Wallraff, A. Blais, L. Frunzio, R.-S. Huang, J. Majer, S. M. Girvin, and R. J. Schoelkopf, Phys. Rev. Lett. 94, 123602 (2005).
- T. Thorbeck, Z. Xiao, A. Kamal, and Luke C. Govia, Phys. Rev. Lett. 132, 090602 (2024).
- M. A. Rol, F. Battistel, F. K. Malinowski, C. C. Bultink, B. M. Tarasinski, R. Vollmer, N. Haider, N. Muthusubramanian, A. Bruno, B. M. Terhal, and L. DiCarlo, Phys. Rev. Lett. 123, 120502 (2019).
- J. M. Martinis and M. R. Geller, Phys. Rev. A 90, 022307 (2014).
- E. Magesan, J. M. Gambetta, and J. Emerson, Phys. Rev. A 85, 042311 (2012).
- C. J. Wood and J. M. Gambetta, Phys. Rev. A 97, 032306 (2018).
- A. G. Fowler, M. Mariantoni, J. M. Martinis, and A. N. Cleland, Phys. Rev. A 86, 032324 (2012).
- S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, A. Di Paolo, E. Genois, C. Leroux et al., Nature (London) 605, 669 (2022).
- I. Besedin, M. Kerschbaum, J. Knoll, I. Hesner, L. Bödeker, L. Colmenarez, L. Hofele, N. Lacroix, C. Hellings, F. Swiadek et al., Nat. Phys. 22, 189 (2026).
- M. McEwen, D. Kafri, Z. Chen, J. Atalaya, K. Satzinger, C. Quintana, P. V. Klimov, D. Sank, C. Gidney, A. Fowler et al., Nat. Commun. 12, 1761 (2021).
- L. Heunisch, C. Eichler, and M. J. Hartmann, Phys. Rev. Appl. 20, 064037 (2023).
- S. Vallés-Sanclemente, T. H. F. Vroomans, T. R. van Abswoude, T. Stavenga, F. Brulleman, S. L. M. van der Meer, Y. Xin, A. Lawrence, V. Singh, M. A. Rol, and L. DiCarlo, SpectatorEffectsTunableCouplers (2025), https://github.com/DiCarloLab-Delft/SpectatorEffectsTunableCouplers.