[論文レビュー] A Leakage-Resilient Scheme for the Measurement of Stabilizer Operators in Superconducting Quantum Circuits

Joydip Ghosh, Austin G. Fowler|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、各サイクルの終わりにデータキュービットとアーキテクチャキュービットの間でスワップ操作を実行することにより、超伝導量子回路におけるマルチキュービット安定化子演算子の漏れ耐性プロトコルを提案している。これにより、キュービットの漏れが発生しても、表面コードを用いた耐故障量子計算が可能になる。この方法は、すべての物理キュービットに対して読み出しとリセット操作を実行することで、持続的漏れ誤りを防止する。

ABSTRACT

Superconducting qubits, while promising for scalability and long coherence times, contain more than two energy levels, and therefore are susceptible to errors generated by the leakage of population outside of the computational subspace. Such leakage errors constitute a prominent roadblock towards fault-tolerant quantum computing (FTQC) with superconducting qubits. FTQC using topological codes is based on sequential measurements of multiqubit stabilizer operators. Here, we first propose a leakage-resilient procedure to perform repetitive measurements of multiqubit stabilizer operators, and then use this scheme as an ingredient to develop a leakage-resilient approach for surface code quantum error correction with superconducting circuits. Our protocol is based on swap operations between data and ancilla qubits at the end of every cycle, requiring read-out and reset operations on every physical qubit in the system, and thereby preventing persistent leakage errors from occurring.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットにおける漏れ誤りの課題に取り組む。これは、その非調和的エネルギー準位構造に起因し、計算サブスペースを越えて状態が漏れ出すことによる。
• 量子エラー訂正サイクル中に漏れに対して耐性を持つ、マルチキュービット安定化子演算子の安定的かつ繰り返し可能な測定プロトコルを開発する。
• 漏れ誤りの影響を軽減することで、超伝導アーキテクチャにおいて表面コードを用いた耐故障量子計算を可能にする。

提案手法

• 各測定サイクルの終わりに、データキュービットとアーキテクチャキュービットの間でスワップ操作を用いることで、状態の分布を移動させ、データキュービットへの漏れの蓄積を防ぐ。
• 各サイクルの後、データキュービットおよびアーキテクチャキュービットを含むすべての物理キュービットに対して読み出しとリセット操作を実行し、残留漏れをクリアし、コherenctを維持する。
• 表面コード量子エラー訂正フレームワークにこのスキームを統合することで、漏れイベントが発生しても耐故障性を保証する。
• 漏れがサイクル間で持続しないように、定期的なリセットを伴う逐次的安定化子測定に依存する。
• 単一キュービットゲート、CNOT、読み出しを含む標準的な操作を用いるため、既存の超伝導量子ハードウェアと互換性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のエネルギー準位を持つ超伝導キュービットにおいて、安定化子測定をどのように漏れに対して耐性を持たせることができるか？
• RQ2 どのプロトコル設計が、持続的漏れ蓄積を防ぎつつ、繰り返し信頼性の高い安定化子測定を可能にするか？
• RQ3 漏れ耐性測定スキームを表面コードエラー訂正に統合することで、耐故障性を維持できるか？
• RQ4 読み出しとリセット操作は、複数サイクルにわたって漏れ誤りをどのように抑制するか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、各サイクルの後で状態を移動させ、リセットすることで、持続的漏れ誤りを効果的に防止する。
• データキュービットとアーキテクチャキュービットの間でスワップ操作を用いることで、測定サイクル間での漏れ蓄積が回避される。
• 漏れに脆弱なキュービットが存在する状況下でも、表面コードを用いた耐故障量子エラー訂正が可能になる。
• すべての物理キュービットに対して読み出しとリセット操作を実行することが、サイクル全体にわたる論理キュービットの整合性を保つために不可欠である。
• このスキームは、現在の超伝導ハードウェアと互換性があり、単に標準的な量子操作と測定プロトコルに依存している。