We analyze the coupling of two flux qubits with a general many-body projector into the low-energy subspace. Specifically, we extract the effective Hamiltonians that controls the dynamics of two qubits when they are coupled via a capacitor and/or via a Josephson junction. While the capacitor induces a static charge coupling tunable by design, the Josephson junction produces a magnetic-like interaction easily tunable by replacing the junction with a superconducting quantum interference device. Those two elements allow to engineer qubits Hamiltonians with XX, YY, and ZZ interactions, including ultrastrongly coupled ones. We present an exhaustive numerical study for two three-Josephson junctions flux qubit that can be directly used in experimental work. The method developed here, namely, the numerical tool to extract qubit effective Hamiltonians at strong coupling, can be applied to replicate our analysis for general systems of many qubits and any type of coupling.

1.
M. A.
Nielsen
and
I. L.
Chuang
,
Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition
(
Cambridge University Press
,
2010
).
2.
I.
Buluta
and
F.
Nori
,
Science
326
,
108
(
2009
).
3.
J.
Cirac
and
P.
Zoller
,
Nat. Phys.
8
,
264
(
2012
).
4.
D.
Ballester
,
G.
Romero
,
J. J.
García-Ripoll
,
F.
Deppe
, and
E.
Solano
,
Phys. Rev. X
2
,
021007
(
2012
).
5.
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
).
6.
I.
Ozfidan
,
C.
Deng
,
A.
Smirnov
,
T.
Lanting
,
R.
Harris
,
L.
Swenson
,
J.
Whittaker
,
F.
Altomare
,
M.
Babcock
,
C.
Baron
,
A.
Berkley
,
K.
Boothby
,
H.
Christiani
,
P.
Bunyk
,
C.
Enderud
,
B.
Evert
,
M.
Hager
,
A.
Hajda
,
J.
Hilton
,
S.
Huang
,
E.
Hoskinson
,
M.
Johnson
,
K.
Jooya
,
E.
Ladizinsky
,
N.
Ladizinsky
,
R.
Li
,
A.
MacDonald
,
D.
Marsden
,
G.
Marsden
,
T.
Medina
,
R.
Molavi
,
R.
Neufeld
,
M.
Nissen
,
M.
Norouzpour
,
T.
Oh
,
I.
Pavlov
,
I.
Perminov
,
G.
Poulin-Lamarre
,
M.
Reis
,
T.
Prescott
,
C.
Rich
,
Y.
Sato
,
G.
Sterling
,
N.
Tsai
,
M.
Volkmann
,
W.
Wilkinson
,
J.
Yao
, and
M.
Amin
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
034037
(
2020
).
7.
G.
Consani
and
P. A.
Warburton
,
New J. Phys.
22
,
053040
(
2020
).
8.
A. J.
Kerman
,
New J. Phys.
21
,
073030
(
2019
).
9.
F.
Arute
,
K.
Arya
,
R.
Babbush
,
D.
Bacon
,
J. C.
Bardin
,
R.
Barends
,
R.
Biswas
,
S.
Boixo
,
F. G. S. L.
Brandao
,
D. A.
Buell
,
B.
Burkett
,
Y.
Chen
,
Z.
Chen
,
B.
Chiaro
,
R.
Collins
,
W.
Courtney
,
A.
Dunsworth
,
E.
Farhi
,
B.
Foxen
,
A.
Fowler
,
C.
Gidney
,
M.
Giustina
,
R.
Graff
,
K.
Guerin
,
S.
Habegger
,
M.
Harrigan
,
M. J.
Hartmann
,
A.
Ho
,
M.
Hoffmann
,
T.
Huang
,
T. S.
Humble
,
S. V.
Isakov
,
E.
Jeffrey
,
Z.
Jiang
,
D.
Kafri
,
K.
Kechedzhi
,
J.
Kelly
,
P. V.
Klimov
,
S.
Knysh
,
A.
Korotkov
,
F.
Kostritsa
,
D.
Landhuis
,
M.
Lindmark
,
E.
Lucero
,
D.
Lyakh
,
S.
Mandrà
,
J. R.
McClean
,
M.
McEwen
,
A.
Megrant
,
X.
Mi
,
K.
Michielsen
,
M.
Mohseni
,
J.
Mutus
,
O.
Naaman
,
M.
Neeley
,
C.
Neill
,
M.
Yuezhen Niu
,
E.
Ostby
,
A.
Petukhov
,
J. C.
Platt
,
C.
Quintana
,
E. G.
Rieffel
,
P.
Roushan
,
N. C.
Rubin
,
D.
Sank
,
K. J.
Satzinger
,
V.
Smelyanskiy
,
K. J.
Sung
,
M. D.
Trevithick
,
A.
Vainsencher
,
B.
Villalonga
,
T.
White
,
Z. J.
Yao
,
P.
Yeh
,
A.
Zalcman
, and
H.
Neven
,
Nature
574
,
505
(
2019
).
10.
S.
Bravyi
,
D. P.
Divincenzo
,
R.
Oliveira
, and
B. M.
Terhal
,
Quantum Inf. Comput.
8
,
361
(
2008
).
11.
Y.
Susa
,
J. F.
Jadebeck
, and
H.
Nishimori
,
Phys. Rev. A
95
,
042321
(
2017
).
12.
13.
L.
Hormozi
,
E. W.
Brown
,
G.
Carleo
, and
M.
Troyer
,
Phys. Rev. B
95
,
184416
(
2017
).
14.
T.
Albash
and
D. A.
Lidar
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
015002
(
2018
).
15.
J.
Kempe
,
A.
Kitaev
, and
O.
Regev
,
SIAM J. Comput.
35
,
1070
(
2006
).
16.
R.
Oliveira
and
B. M.
Terhal
,
Quantum Inf. Comput.
8
,
900
924
(
2008
).
17.
T. P.
Orlando
,
J. E.
Mooij
,
L.
Tian
,
C. H.
van der Wal
,
L. S.
Levitov
,
S.
Lloyd
, and
J. J.
Mazo
,
Phys. Rev. B
60
,
15398
(
1999
).
18.
T.
Satoh
,
Y.
Matsuzaki
,
K.
Kakuyanagi
,
K.
Semba
,
H.
Yamaguchi
, and
S.
Saito
, “
Ising interaction between capacitively-coupled superconducting flux qubits
,” arXiv:1501.07739 (
2015
).
19.
M.
Hita-Pérez
,
G.
Jaumà
,
M.
Pino
, and
J. J.
García-Ripoll
, “
Ultrastrong capacitive coupling of flux qubits
,” arXiv:2108.02549 (
2021
).
20.
I.
Chiorescu
,
Y.
Nakamura
,
C. J. P. M.
Harmans
, and
J. E.
Mooij
,
Science
299
,
1869
(
2003
).
21.
J. R.
Schrieffer
and
P. A.
Wolff
,
Phys. Rev.
149
,
491
(
1966
).
22.
S.
Bravyi
,
D. P.
DiVincenzo
, and
D.
Loss
,
Ann. Phys.
326
,
2793
(
2011
).
23.
G. H.
Golub
and
C. F.
Van Loan
,
Matrix Computations
, 3rd ed. (
Johns Hopkins University Press
,
Baltimore
,
1996
).
24.
C. H.
van der Wal
,
A. C. J.
ter Haar
,
F. K.
Wilhelm
,
R. N.
Schouten
,
C. J. P. M.
Harmans
,
T. P.
Orlando
,
S.
Lloyd
, and
J. E.
Mooij
,
Science
290
,
773
(
2000
).
25.
F.
Yan
,
S.
Gustavsson
,
A.
Kamal
,
J.
Birenbaum
,
A. P.
Sears
,
D.
Hover
,
T. J.
Gudmundsen
,
D.
Rosenberg
,
G.
Samach
,
S.
Weber
 et al.,
Nat. Commun.
7
(
1
),
12964
(
2016
).
26.
A.
Ciani
and
B. M.
Terhal
,
Phys. Rev. A
103
,
042401
(
2021
).
27.
T.
Halverson
,
L.
Gupta
,
M.
Goldstein
, and
I.
Hen
, “
Efficient simulation of so-called non-stoquastic superconducting flux circuits
,” arXiv:2011.03831 (
2020
).
28.
D.
Kafri
,
C.
Quintana
,
Y.
Chen
,
A.
Shabani
,
J. M.
Martinis
, and
H.
Neven
,
Phys. Rev. A
95
,
052333
(
2017
).
29.
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
).
30.
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
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.