[論文レビュー] Engineering fast bias-preserving gates on stabilized cat qubits

Qian Xu, Joseph K. Iverson+2 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、非断熱誤差を抑えるために導関数に基づく制御（DBC）を用いて、安定化キャットキュービットにおける高速でバイアスを保つ（BP）量子ゲートを提案する。これにより、高精度な操作が可能になりながらも、高ノイズバイアスを維持できる。この手法は、断熱的または単純なハードパルスゲートと比較して、コンカタネート量子誤り訂正におけるゲートの精度を向上させるとともに、リソースのオーバーヘッドを削減する。

ABSTRACT

Stabilized cat codes can provide a biased noise channel with a set of bias-preserving (BP) gates, which can significantly reduce the resource overhead for fault-tolerant quantum computing. All existing schemes of BP gates, however, require adiabatic quantum evolution, with performance limited by excitation loss and non-adiabatic errors during the adiabatic gates. In this work, we apply a derivative-based leakage suppression technique to overcome non-adiabatic errors, so that we can implement fast BP gates on Kerr-cat qubits with improved gate fidelity while maintaining high noise bias. When applied to concatenated quantum error correction, the fast BP gates can not only improve the logical error rate but also reduce resource overhead, which enables more efficient implementation of fault-tolerant quantum computing.

研究の動機と目的

• 安定化キャットキュービットにおける断熱的BPゲートの性能制限、特に励起状態の損失と非断熱誤差に起因する制限を克服すること。
• 非断熱誤差を顕著に低減しつつも、高いノイズバイアスを維持する高速BPゲートの開発。
• ゲートの精度とノイズバイアスの最適化により、コンカタネート量子誤り訂正における論理誤り率の低減とリソースのオーバーヘッド削減。
• ユニタリ制御を用いてKerrキャットキュービットにおける漏れとデ coherent 化をコherently抑制することで、効率的な故障耐性量子計算を実現すること。

提案手法

• 著者らは、Kerrパラメトリックオシレーター（KPO）の時間発展を制御するために、導関数に基づく漏れ抑制（DBC）技術を適用し、非断熱遷移を最小限に抑える。
• 時間依存の駆動ハミルトニアンを用い、形状を調整したパルスを適用することで、高励起状態への遷移を抑制し、非共鳴漏れを低減する。
• DBC制御を用いて、Kerrキャットキュービットにおける高速Z回転とCXゲートを実装し、システムに内在するノイズバイアスを保持する。
• 光子損失と散逸を含む回路レベルのノイズモデルを用いて、断熱的および単純なハードパルスゲートと比較する。
• ゲートの精度、ノイズバイアス、およびコンカタネート反復コードおよび表面コードにおける論理誤り率を用いて性能を評価する。
• ゲート時間とコード距離の最適化を含み、現実的なノイズ条件下での論理誤り率を最小化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerrキャットキュービットに、高速で非断熱的かつバイアスを保つゲートを実装可能か。ただし、高いノイズバイアスを維持するものとする。
• RQ2 導関数に基づく制御は、断熱的またはハードパルス方式と比較して、BPゲートにおける非断熱誤差をどのように抑制するか。
• RQ3 コンカタネート量子誤り訂正において、ゲートの精度、ノイズバイアス、論理誤り率のトレードオフは何か。
• RQ4 高速DBC制御ゲートは、故障耐性量子計算アーキテクチャにおけるリソースのオーバーヘッドを低減できるか。
• RQ5 光子損失は高速BPゲートの性能にどのように影響するか。また、高精度な動作を維持できるか。

主な発見

• DBC制御による高速BPゲートは、非断熱誤差が支配的になる高速ゲート領域において、断熱的またはハードパルス方式よりも高いゲート精度を達成する。
• 高速DBCゲートは、散逸的ゲートと同等の高いノイズバイアスを維持し、検討されたパrameter領域ではノイズバイアス比約1000:1を達成する。
• コンカタネート反復コードにおいて、低損失率条件下でDBC制御Kerr CXゲートは、散逸的ゲートと比較して最小論理誤り率を最大10倍まで低減する。
• 非断熱XおよびZ誤りのより優れた抑制により、高速DBCゲートは単純なハードパルスBPゲートを上回る論理誤り率を示す。
• ゲート時間とコード距離の最適化により、高速DBCゲートは表面コードアーキテクチャにおいて、リソースのオーバーヘッドを削減しつつも、より低い論理誤り率を達成できる。
• 本手法により、エンジニアド非線形性と調整された散逸を有するKerrキャットキュービットを用いた、高精度で低オーバーヘッドな故障耐性量子計算への道筋が開かれる。