This article provides an introduction to surface code quantum computing. We first estimate the size and speed of a surface code quantum computer. We then introduce the concept of the stabilizer, using two qubits, and extend this concept to stabilizers acting on a two-dimensional array of physical qubits, on which we implement the surface code. We next describe how logical qubits are formed in the surface code array and give numerical estimates of their fault-tolerance. We outline how logical qubits are physically moved on the array, how qubit braid transformations are constructed, and how a braid between two logical qubits is equivalent to a controlled-NOT. We then describe the single-qubit Hadamard, S and T operators, completing the set of required gates for a universal quantum computer. We conclude by briefly discussing physical implementations of the surface code. We include a number of appendices in which we provide supplementary information to the main text.

Entanglement is one of the key resources required for quantum computation, so experimentally creating and measuring entangled states is of crucial importance in the various physical implementations of a quantum computer. In superconducting qubits, two-qubit entangled states have been demonstrated and used to show violations of Bell's Inequality and to implement simple quantum algorithms. Unlike the two-qubit case, however, where all maximally-entangled two-qubit states are equivalent up to local changes of basis, three qubits can be entangled in two fundamentally different ways, typified by the states $|\mathrm{GHZ}> = (|000> + |111>)/\sqrt{2}$ and $|\mathrm{W}> = (|001> + |010> + |100>)/\sqrt{3}$. Here we demonstrate the operation of three coupled superconducting phase qubits and use them to create and measure $|\mathrm{GHZ}>$ and $|\mathrm{W}>$ states. The states are fully characterized using quantum state tomography and are shown to satisfy entanglement witnesses, confirming that they are indeed examples of three-qubit entanglement and are not separable into mixtures of two-qubit entanglement.

The von Neumann architecture for a classical computer comprises a central processing unit and a memory holding instructions and data. We demonstrate a quantum central processing unit that exchanges data with a quantum random-access memory integrated on a chip, with instructions stored on a classical computer. We test our quantum machine by executing codes that involve seven quantum elements: Two superconducting qubits coupled through a quantum bus, two quantum memories, and two zeroing registers. Two vital algorithms for quantum computing are demonstrated, the quantum Fourier transform, with 66% process fidelity, and the three-qubit Toffoli-class OR phase gate, with 98% phase fidelity. Our results, in combination especially with longer qubit coherence, illustrate a potentially viable approach to factoring numbers and implementing simple quantum error correction codes.

We describe the fabrication and measurement of microwave coplanar waveguide resonators with internal quality factors above 10 million at high microwave powers and over 1 million at low powers, with the best low power results approaching 2 million, corresponding to ~1 photon in the resonator. These quality factors are achieved by controllably producing very smooth and clean interfaces between the resonators' aluminum metallization and the underlying single crystal sapphire substrate. Additionally, we describe a method for analyzing the resonator microwave response, with which we can directly determine the internal quality factor and frequency of a resonator embedded in an imperfect measurement circuit.

We find that stray infrared light from the 4 K stage in a cryostat can cause significant loss in superconducting resonators and qubits. For devices shielded in only a metal box, we measured resonators with quality factors Q = 10^5 and qubits with energy relaxation times T_1=120 ns, consistent with a stray light-induced quasiparticle density of 170-230 \mu m^{-3}. By adding a second black shield at the sample temperature, we found about an order of magnitude improvement in performance and no sensitivity to the 4 K radiation. We also tested various shielding methods, implying a lower limit of Q = 10^8 due to stray light in the light-tight configuration.

We develop a general theory for multiphoton qubit-resonator interactions enhanced by a qubit drive. The interactions generate qubit-conditional operations in the resonator when the driving is near $n$-photon cross resonance, i.e., when the qubit drive is $n$ times the resonator frequency. We pay special attention to the strong driving regime, where the resulting effective interactions are conditioned on the qubit dressed states. Next, we investigate the use of a two-tone drive to engineer an effective $n$-photon Rabi Hamiltonian with widely tunable effective system parameters, which could enable the realization of new regimes that have so far been inaccessible. Then, we discuss applications for the specific case where $n=2$, which results in qubit-conditional squeezing (QCS). We show that the QCS protocol can be used to generate a superposition of orthogonally squeezed states following a properly chosen qubit measurement. We outline quantum information processing applications for these states, including encoding a qubit in a resonator via the superposition of orthogonally squeezed states. We show how the QCS operation can be used to realize a controlled-squeeze gate and its use in bosonic phase estimation. The QCS protocol can also be utilized to achieve faster unitary operator synthesis on the joint qubit-resonator Hilbert space. Finally, we propose a multiphoton circuit QED implementation based on a transmon qubit coupled to a resonator via an asymmetric SQUID. We provide realistic parameter estimates for the two-photon operation regime that can host the aforementioned two-photon protocols. We use numerical simulations to show that, even in the presence of spurious terms and decoherence, our analytical predictions are robust.

In this study, we employ purity benchmarking (PB) to explore the dynamics of gate noise in a superconducting qubit system. Over 1110 h of observations on an Xmon qubit, we simultaneously measure the coherence noise budget across two different operational frequencies. We find that incoherent errors, which predominate in overall error rates, exhibit minimal frequency dependence, suggesting that they are primarily due to wideband, diffusive incoherent error sources. In contrast, coherent errors, although less prevalent, show significant sensitivity to operational frequency variations and telegraphic noise. We hypothesize that this sensitivity is due to interactions with a single strongly coupled environmental defect—modeled as a two-level system—which influences qubit control parameters and causes coherent calibration errors. Our results also demonstrate that PB offers improved sensitivity, capturing additional dynamics that conventional relaxation time measurements cannot detect, thus presenting a more comprehensive method for capturing dynamic interactions within quantum systems. The intricate nature of these coherence dynamics underscores the need for further research.