[論文レビュー] Data and plotting code for 'Mid-circuit correction of correlated phase errors using an array of spectator qubits'

Kevin Singh, C. E. Bradley+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、セシウムのスレーブキュービットアレイを用いて、ルビジウムのデータキュービットに影響するノイズを感知・位相的に補正する、中回路補正を用いた中性原子量子プロセッサにおける相関した位相エラーのリアルタイム補正を示している。スレーブキュービットの1回の測定による中回路読み出しとリアルタイムフィードフォワード補正を実行することで、11 mGまでデcohエラーを抑制し、スレーブのコントラストが最適な状態のとき、データキュービットの忠実度が97.4%に達する。これにより、ノイズが多く相関する環境下でもスケーラブルなエラー低減が可能になる。

ABSTRACT

Scaling up invariably error-prone quantum processors is a formidable challenge. While quantum error correction ultimately promises fault-tolerant operation, the required qubit overhead and error thresholds are daunting, and many codes break down under correlated noise. Recent proposals have suggested a complementary approach based on co-located, auxiliary 'spectator' qubits. These act as in-situ probes of noise, and enable real-time, coherent corrections of the resulting errors on the data qubits. Here, we use an array of cesium spectator qubits to correct correlated phase errors on an array of rubidium data qubits. Crucially, by combining in-sequence readouts, data processing, and feed-forward operations, these correlated errors are suppressed within the execution of the quantum circuit. The protocol is broadly applicable to quantum information platforms, and our approach establishes key tools for scaling neutral-atom quantum processors: mid-circuit readout of atom arrays, real-time processing and feed-forward, and coherent mid-circuit reloading of atomic qubits.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子プロセッサにおける相関ノイズの課題に取り組み、従来の量子エラー訂正が機能しなくなるのを防ぐ。
• ノイズスペクトルや相関時間の事前知識が不要なリアルタイムでイン・サイトのエラー低減プロトコルを開発する。
• 最小限のデータキュービットへの干渉で、二種類の原子アレイにおける中回路読み出し、リアルタイム処理、フィードフォワード補正を実証する。
• データキュービットのコherエンス時間内にスレーブキュービットを再充填することで、繰り返しのエラー補正を可能にする。
• 約60個のデータキュービットと約60個のスレーブキュービットを有する実験系でプロトコルを実証し、11 mGまでのデコherenceを抑制することを示す。

提案手法

• レーザー捕獲されたルビジウム（データキュービット）とセシウム（スレーブキュービット）の二種類の原子アレイを用い、キュービットはハイパーフィン構造にエンコードされている。
• データキュービットのコherエンスを損なわずに、グローバルに相関する位相エラーを推定するために、スレーブキュービットの途中回路・1回測定による蛍光読み出しを実行する。
• 古典的制御アーキテクチャを用い、スレーブ読み出し結果をリアルタイムに処理し、データキュービットにフィードフォワードユニタリ補正を適用する。
• データキュービットとスレーブキュービットに生じるノイズ誘発位相シフトの相関に依存しており、両種の原子が同一のノイズ応答を示すと仮定する。
• マイクロ波ラビ振動を用いて、制御されたノイズ注入下でのキュービットコherエンスを特徴づけ、プロトコルの有効性を検証する。
• 実験的差異（過小補正や有限パルス幅）を補正するための自由パrameterなしモデルを用いて、システム挙動をシミュレート・予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中回路読み出しとリアルタイムフィードフォワード補正により、中性原子量子プロセッサにおける相関位相エラーを抑制できるか？
• RQ2 スレーブキュービットがデータキュービットに影響するノイズを感知・補正可能であるが、その際データキュービットのコherエンスが劣化しない程度にまで到達できるか？
• RQ3 プロトコルの性能は、スレーブキュービットのコントラストとスレーブ数にどのように依存するか？
• RQ4 プロトコルが有効に抑制できる最大のノイズ強度（mG単位）はどの程度か？
• RQ5 スレーブキュービットはデータキュービットのコherエンス時間内に再充填可能か？これにより繰り返しのエラー補正が可能になるか？

主な発見

• プロトコルは11 mGまでの相関位相エラーを効果的に抑制でき、実験結果はこの閾値まで頑健であることが示された。
• 注入ノイズがない状態では、現在の実験パラメータ（N=61スレーブ、C=0.46）でデータキュービット忠実度は88.0%であるが、スレーブコントラストC=1のとき97.4%に向上する。
• 数値シミュレーションでは、スレーブ数を165に増加させると、C=0.46のとき95.6%、C=1のとき99.0%に忠実度が向上し、限界コントラストが主な誤差要因であることが示された。
• 有限のスレーブ読み出し時間のため、共鳴特徴の端縁部にわずかなノイズ感度が生じるが、全体としてデコherenceの強力な抑制を維持している。
• スレーブキュービットはデータキュービットのコherエンス時間内に再充填可能であり、繰り返し測定と継続的運用が可能である。
• 実験とシミュレーションの差異は、非線形なノイズ合成と不完全な位相推定に起因しており、状態準備の改善と読み出し時間の短縮により緩和可能である。