[論文レビュー] Entanglement and Quantum Error Correction with Superconducting Qubits

Matthew Reed|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 160被引用数 25

ひとこと要約

この博士論文は、回路量子電磁力学（cQED）アーキテクチャにおける超伝導トランスモンキュービットを用いて、決定論的なもつれ状態生成と量子誤り訂正を実証している。キュービットを共通のマイクロ波レゾネータに結合させることで、2キュービットの制御位相ゲートを実装し、ベル状態およびGHZ状態を生成した。また、3キュービットのトフォリゲートを用いて量子反復符号を実現し、デ coherent による限界を考慮しても、ビット反転および位相反転誤りの自律的訂正を達成した。

ABSTRACT

A quantum computer will use the properties of quantum physics to solve certain computational problems much faster than otherwise possible. One promising potential implementation is to use superconducting quantum bits in the circuit quantum electrodynamics (cQED) architecture. There, the low energy states of a nonlinear electronic oscillator are isolated and addressed as a qubit. These qubits are capacitively coupled to the modes of a microwave-frequency transmission line resonator which serves as a quantum communication bus. Microwave electrical pulses are applied to the resonator to manipulate or measure the qubit state. State control is calibrated using diagnostic sequences that expose systematic errors. Hybridization of the resonator with the qubit gives it a nonlinear response when driven strongly, useful for amplifying the measurement signal to enhance accuracy. Qubits coupled to the same bus may coherently interact with one another via the exchange of virtual photons. A two-qubit conditional phase gate mediated by this interaction can deterministically entangle its targets, and is used to generate two-qubit Bell states and three-qubit GHZ states. These three-qubit states are of particular interest because they redundantly encode quantum information. They are the basis of the quantum repetition code prototypical of more sophisticated schemes required for quantum computation. Using a three-qubit Toffoli gate, this code is demonstrated to autonomously correct either bit- or phase-flip errors. Despite observing the expected behavior, the overall fidelity is low because of decoherence. A superior implementation of cQED replaces the transmission-line resonator with a three-dimensional box mode, increasing lifetimes by an order of magnitude. In-situ qubit frequency control is enabled with control lines, which are used to fully characterize and control the system Hamiltonian.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットを用いたcQEDプラットフォームにおいて、スケーラブルな量子誤り訂正の開発と実証を目的とする。
• 共通のレゾネータを介した相互作用により、2キュービットおよび3キュービットの決定論的もつれを実現する。
• 3キュービットのトフォリゲートを用いて、量子反復符号を実装し、自律的誤り訂正を実現する。
• 1次元送信線レゾネータを3次元ボックスレゾネータに置き換えることで、コherenct時間の向上を図る。
• インサイト・キュービット周波数調整を可能にし、ハミルトニアンの精密制御とシステムの特徴付けを実現する。

提案手法

• cQEDアーキテクチャにおいて、共通のマイクロ波送信ラインレゾネータを介した仮想光子交換によりキュービットをもつれる。
• レゾネータに校正済みのマイクロ波パルスを印加し、トランスモンキュービットにおける単一および2キュービットゲートを実行する。
• レゾネータとキュービットのハイブリダイゼーションを活用し、測定信号の増幅と精度を向上させる。
• 3キュービットのトフォリゲートを用いて、3キュービットのGHZ状態に論理キュービットを符号化し、誤り訂正を実現する。
• 1次元レゾネータを3次元マイクロ波キャビティに置き換えることで、キュービットのコherenct時間を1桁程度向上させる。
• インサイト・キュービット周波数調整のための制御ラインを統合し、ハミルトニアンの完全な特徴付けを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 cQEDシステムにおいて、共通のレゾネータを介した相互作用により、決定論的な2キュービットもつれを信頼性高く生成できるか？
• RQ2 高精度で3キュービットのGHZ状態を準備できるか、それが量子誤り訂正の基盤として機能できるか？
• RQ3 3キュービットのトフォリゲートを用いて量子反復符号を実装し、ビット反転または位相反転誤りを自律的に訂正できるか？
• RQ4 1次元送信線レゾネータを3次元ボックスレゾネータに置き換えると、キュービットのコherenct時間と誤り率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 インサイト・キュービット周波数制御により、システムのキャリブレーションが向上し、正確なハミルトニアン工学が可能になるか？

主な発見

• 著者らは、共通のレゾネータを介した制御位相ゲートを用いて、2キュービットのベル状態および3キュービットのGHZ状態を成功裏に生成した。
• 3キュービットのGHZ状態を論理キュービットとして用い、トフォリゲートを介してビット反転および位相反転誤りの自律的訂正を実証した。
• 誤り訂正の動作が正しく観測されたが、デ coherent 効果による影響により、全体の精度は低かった。
• 1次元レゾネータを3次元ボックスレゾネータに置き換えることで、キュービットのコherenct時間が約1桁程度向上した。
• 制御ラインを介したインサイト・キュービット周波数制御が達成され、システムハミルトニアンの完全な特徴付けと調整が可能になった。
• 量子反復符号の実装は原則的に検証されたが、実験的ノイズとデ coherent 効果の影響により、限界が存在した。