[論文レビュー] Dual-rail encoding with superconducting cavities

James D. Teoh, Patrick Winkel+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 124被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2つのスーパーコンダクティングマイクロ波キャビティの1光子状態に符号化されたデュアルレール量子ビットを提案し、回路QEDを活用して支配的な光子損失エラーを検出可能で、消去エラーに変換する。1量子ビットあたり1つのトランモンアーギラを用いることで、ユニバーサルなゲート操作が可能となり、パウリエラーが消去エラーに対して数個のオーダー小さくなる有益なエラー階層を達成し、現在のコherences時間のもとで表面コードの閾値未満の論理的エラー率を実現する。

ABSTRACT

The design of quantum hardware that reduces and mitigates errors is essential for practical quantum error correction (QEC) and useful quantum computation. To this end, we introduce the circuit-Quantum Electrodynamics (QED) dual-rail qubit in which our physical qubit is encoded in the single-photon subspace of two superconducting microwave cavities. The dominant photon loss errors can be detected and converted into erasure errors, which are in general much easier to correct. In contrast to linear optics, a circuit-QED implementation of the dual-rail code offers unique capabilities. Using just one additional transmon ancilla per dual-rail qubit, we describe how to perform a gate-based set of universal operations that includes state preparation, logical readout, and parametrizable single and two-qubit gates. Moreover, first-order hardware errors in the cavities and the transmon can be detected and converted to erasure errors in all operations, leaving background Pauli errors that are orders of magnitude smaller. Hence, the dual-rail cavity qubit exhibits a favorable hierarchy of error rates and is expected to perform well below the relevant QEC thresholds with today's coherence times.

研究の動機と目的

• エラー率を低減し論理的忠実度を向上させるハードウェア効率の良い量子誤り訂正（QEC）プラットフォームの設計。
• スーパーコンダクティングキャビティにおける支配的な光子損失エラーを、検出可能な消去エラーに変換することで低減する。
• 最小限のアーギラオーバーヘッドで、状態準備、論理的読み出し、およびパラメータ化可能な単一および両量子ビットゲートを含むユニバーサルな量子操作を実装する。
• パウリエラーが消去エラーに対して数個のオーダー小さくなる、有益なエラー階層を達成し、QECの閾値未満の性能を実現する。
• キャビティ系のノイズバイアスとアーギラ支援エラー検出を活用して、スケーラブルでフェイルセーフな量子計算を実現する。

提案手法

• 2つの結合されたスーパーコンダクティングマイクロ波キャビティの1光子状態 {|01⟩, |10⟩} に論理的量子ビットを符号化する。
• 分散的結合されたトランモンアーギラを用い、ビームスプリッタ型相互作用を通じて状態準備、測定、ゲート操作を実行する。
• トランモン-キャビティ結合を介して生成される制御Z（ZZ）相互作用を用いて、パラメータ化可能な単一および両量子ビットゲートを実装する。
• サイドバンド駆動を用いて、トランモンからキャビティへの1励起状態の高速かつ高忠実度な状態移行を実現する。
• パリティ測定とダイナミカルデカップリングを用いて、隣接するデュアルレール量子ビット間の不要なクロス・カー相互作用を検出し、抑制する。
• トランモン-キャビティ結合強度（χ ≈ 10 MHz）を調整することで、高速な2量子ビットゲート（~100 ns）を実現するとともに、デ coherent とパーセル効果を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーコンダクティングキャビティにおける光子損失エラーは、検出可能で消去エラーに変換可能であり、QEC性能の向上に寄与するか？
• RQ2 1つのトランモンアーギラで1つのデュアルレール量子ビットを用いて、ユニバーサルな論理的操作を実装できるか？
• RQ3 デュアルレールキャビティ量子ビットは、パウリエラーが消去エラーに対して著しく小さいという有益なエラー率の階層を示すか？
• RQ4 現在のコherences時間のもとで、この方式は表面コードの閾値未満の論理的エラー率を達成できるか？
• RQ5 ゲート操作中に生じる不要な非線形性（例：クロス・カー結合）は、どのように低減できるか？

主な発見

• デュアルレールキャビティ量子ビットは、支配的な光子損失エラーを検出可能で、補正が容易な消去エラーに変換する。
• 1量子ビットあたり1つのトランモンアーギラを用いることで、状態準備、論理的読み出し、およびパラメータ化可能な単一および両量子ビットゲートを含むユニバーサルなゲート操作が可能となる。
• キャビティおよびトランモンにおける1次のハードウェアエラーは検出可能で、消去エラーに変換され、背景のパウリエラーが数個のオーダー小さくなる。
• χ ≈ 10 MHzのとき、ZZ(θ)ゲートのゲート時間は~100 nsまで高速化可能であり、トランモンベースの2量子ビットゲートと同等の性能を示す。
• 本システムは有益なエラー階層を達成する：消去エラーが支配的であり、パウリエラーは数個のオーダー小さく、漏れは最小限に抑えられる。
• 隣接する量子ビット間のクロス・カー相互作用に対して本方式は頑健であり、ダイナミカルデカップリングまたはチューナブルコアプラを用いてキャンセル可能である。