[論文レビュー] Demonstrating a superconducting dual-rail cavity qubit with erasure-detected logical measurements

Kevin Chou, Tali Shemma+32 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 9

ひとこと要約

本論文は実験的にデュアルレール超伝導キャビティ・キュービットを用い、消失検出付き論理測定を実施し、SPAM忠実度を高め、ほとんどの崩壊誤差を消失へ変換して効率的なエラー訂正ベンチマークを可能にする。

ABSTRACT

A critical challenge in developing scalable error-corrected quantum systems is the accumulation of errors while performing operations and measurements. One promising approach is to design a system where errors can be detected and converted into erasures. Such a system utilizing erasure qubits are known to have relaxed requirements for quantum error correction. A recent proposal aims to do this using a dual-rail encoding with superconducting cavities. However, experimental characterization and demonstration of a dual-rail cavity qubit has not yet been realized. In this work, we implement such a dual-rail cavity qubit; we demonstrate a projective logical measurement with integrated erasure detection and use it to measure dual-rail qubit idling errors. We measure logical state preparation and measurement errors at the $0.01\%$-level and detect over $99\%$ of cavity decay events as erasures. We use the precision of this new measurement protocol to distinguish different types of errors in this system, finding that while decay errors occur with probability $\sim 0.2\%$ per microsecond, phase errors occur 6 times less frequently and bit flips occur at least 140 times less frequently. These findings represent the first confirmation of the expected error hierarchy necessary to concatenate dual-rail erasure qubits into a highly efficient erasure code.

研究の動機と目的

• 量子誤り訂正要件を緩和するために、消失キュービットを動機づけ、実現する。
• 回路QEDに統合された消失検出付き論理測定を備えたデュアルレールキャビティ・キュービットを実装する。
• SPAMとリーク検出性能を定量化し、アイドリング誤差率を特徴づける。
• 崩壊（デク）・位相・ビット反転の誤差階層を確立し、将来の消失符号統合を情報化する。

提案手法

• 制御と読み出しのための付随トランモンを用いた、2つのキャビティのデュアルレールにキュービットをエンコードする。
• キャビティ状態をトランモン状態に写像するための光子数選択πパルスを実行し、分散的読み出しで結果を決定する。
• 1回以上のキャビティ測定とデコーディング戦略を用いた末端の消失検出論理測定を実装する。
• |01⟩または|10⟩を準備して論理SPAMを測定し、論理的誤割り当てと消失割合を評価する。
• リーク検出能力を検証するため、意図的にリーク状態を準備し検出誤差を定量化する。
• 観測された誤差を特定の物理プロセスに帰属させるために、シミュレーションと簡略化された誤差モデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デュアルレールキャビティ・キュービットは超低誤差の誤割り当てを伴う消失検出付き論理測定を提供できるか。
• RQ2 崩壊誤差を消失へ転換する有効性と、リーク検出効率は (>99%) か。
• RQ3 このアーキテクチャにおける主要なアイドリング誤差率（ビット反転と位相）はどれくらいで、消失率と比較してどうか。
• RQ4 複数回の測定とデコーディング戦略は論理誤割り当てと消失率にどのように影響するか。

主な発見

• 論理誤割り当て誤差: (1.8 ± 0.3) × 10^−4 が状態準備全体で平均。
• 消失割合: (6.03 ± 0.05) × 10^−2 は1回測定のSPAM測定。
• リーク検出誤差: (7.7 ± 0.3) × 10^−3、リークを消失へ>99%へ変換する。
• 2回測定では論理誤割り当てを (4 ± 2) × 10^−5、リーク検出誤差を (1.2 ± 0.1) × 10^−3 に低減、消失割合は (17 ± 0.1) × 10^−2 に増加。
• キャビティ減衰率: 〜0.2%/μs; 位相誤差は約6倍小さくなる; ビット反転誤差は減衰誤差の少なくとも140倍小さい。
• ラムゼー・エコーの去相率: Γ_Rφ = 1/(2.2 ± 0.2 ms) および Γ_Eφ = 1/(2.7 ± 0.2 ms); 位相反転確率 p_φ ≈ 0.023% および 0.019%/μs。