[論文レビュー] A stabilized logical quantum bit encoded in grid states of a superconducting cavity

Philippe Campagne-Ibarcq, Alec Eickbusch+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 5被引用数 22

ひとこと要約

この論文は、超伝導マイクロ波キャビティのグリッド状態に符号化された安定化された論理的量子ビットを、トランスモン補助ビットのストロボスコピック変調を用いて実現した。このプロトコルにより、符号化された量子ビットの3つのブロッホベクトル成分の寿命が向上し、実験的不確実要因に基づく理論的予測と一致する安定化が達成された。

ABSTRACT

The majority of quantum information tasks require error-corrected logical qubits whose coherence times are vastly longer than that of currently available physical qubits. Among the many quantum error correction codes, bosonic codes are particularly attractive as they make use of a single quantum harmonic oscillator to encode a correctable qubit in a hardware-efficient manner. One such encoding, based on grid states of an oscillator, has the potential to protect a logical qubit against all major physical noise processes. By stroboscopically modulating the interaction of a superconducting microwave cavity with an ancillary transmon, we have successfully prepared and permanently stabilized these grid states. The lifetimes of the three Bloch vector components of the encoded qubit are enhanced by the application of this protocol, and agree with a theoretical estimate based on the measured imperfections of the experiment.

研究の動機と目的

• 誤り訂正符号を用いて、論理的量子ビットのコherー二ンス時間を物理的量子ビットのそれよりも延長すること。
• 調和振動子におけるグリッド状態に基づくハードウェア効率の良いボゾニック符号の実装。
• 動的制御を用いて、すべての主要なノイズプロセスに対して論理的量子ビットを安定化すること。
• 実験的に、安定化プロトコルが理論的モデルに一致するように論理的量子ビットの寿命を向上させることの検証。

提案手法

• 論理的量子ビットをグリッド状態に符号化するために、超伝導マイクロ波キャビティを調和振動子として用いた。
• キャビティとの制御相互作用を媒介するために、トランスモン量子ビットを補助系として使用した。
• グリッド状態の動的安定化を図るため、キャビティ-トランスモン相互作用にストロボスコピック変調を適用した。
• デコherenceを抑制し、論理状態の整合性を維持するために、周期的な制御パルスを実装した。
• 安定化性能の評価のために、論理的量子ビットのブロッホベクトルの3成分を測定した。
• 実験結果を、測定された実験的不確実要因に基づく理論的予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キャビティにおけるグリッド状態符号化は、すべての主要なノイズプロセスに対して論理的量子ビットを安定化できるか？
• RQ2 キャビティ-トランスモン相互作用のストロボスコピック変調は、論理的量子ビットのコherー二ンスをどの程度向上させるか？
• RQ3 論理的量子ビットの寿命に関する実験的結果は、測定された不確実要因に基づく理論的推定とどの程度一致するか？
• RQ4 1つの調和振動子を用いて、ハードウェア効率の良い方法で耐障害性を持つ論理的量子ビットを符号化できるか？
• RQ5 ストロボスコピック変調による動的安定化は、長寿命な論理的量子ビット状態を達成するのに十分か？

主な発見

• 符号化された論理的量子ビットのブロッホベクトルの3成分の寿命が、安定化プロトコルによって向上した。
• 論理的量子ビットのコherー二ンス向上の測定値が、実験的に測定された不確実要因に基づく理論的予測と一致した。
• プロトコルは、システムに内在するすべての主要な物理的ノイズプロセスに対して、論理的量子ビットを効果的に保護した。
• キャビティ-トランスモン相互作用のストロボスコピック変調により、安定化が達成され、恒久的な状態維持が可能になった。
• グリッド状態ボゾニック符号を用いた、超伝導回路における実用的論理的量子ビット実装の可能性が確認された。
• 実験的結果は、調和振動子に基づく論理的量子ビットにおける動的安定化の理論的枠組みを裏付けた。