[論文レビュー] Erasure conversion in a high-fidelity Rydberg quantum simulator

Pascal Scholl, Adam L. Shaw+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 52被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、アルカリ土族元素原子の1サイト分解能を有するイメージングを用いて、Rydberg量子シミュレータにおいて高精度なベル状態生成と消去変換を実証している。高速な24 μsのイメージングにより漏れ誤りを検出し、消去誤りを有するデータを除外することで、SPAM補正後、ベル状態の保真度が≥0.9985に達し、0.999の領域に近づき、量子臨界現象実験におけるシミュレーションの精度が向上した。

ABSTRACT

Minimizing and understanding errors is critical for quantum science, both in noisy intermediate scale quantum (NISQ) devices and for the quest towards fault-tolerant quantum computation. Rydberg arrays have emerged as a prominent platform in this context with impressive system sizes and proposals suggesting how error-correction thresholds could be significantly improved by detecting leakage errors with single-atom resolution, a form of erasure error conversion. However, two-qubit entanglement fidelities in Rydberg atom arrays have lagged behind competitors and this type of erasure conversion is yet to be realized for matter-based qubits in general. Here we demonstrate both erasure conversion and high-fidelity Bell state generation using a Rydberg quantum simulator. We implement erasure conversion via fast imaging of alkaline-earth atoms, which leaves atoms in a metastable state unperturbed and yields additional information independent of the final qubit readout. When excising data with observed erasure errors, we achieve a lower-bound for the Bell state generation fidelity of ${\geq} 0.9971^{+10}_{-13}$, which improves to ${\geq}0.9985^{+7}_{-12}$ when correcting for remaining state preparation errors. We further demonstrate erasure conversion in a quantum simulation experiment for quasi-adiabatic preparation of long-range order across a quantum phase transition, where we explicitly differentiate erasure conversion of preparation and Rydberg decay errors. We unveil the otherwise hidden impact of these errors on the simulation outcome by evaluating correlations between erasures and the final readout as well as between erasures themselves. Our work demonstrates the capability for Rydberg-based entanglement to reach fidelities in the ${\sim} 0.999$ regime, with higher fidelities a question of technical improvements, and shows how erasure conversion can be utilized in NISQ devices.

研究の動機と目的

• 単一原子分解能を用いた物質基盤量子シミュレータにおける消去変換の実証。
• Rydbergアレイプラットフォームにおける高精度な2キュービットもつれ状態の実現。
• 高速イメージングによる漏れ誤りの検出と除外により、漏れ誤りを低減し、シミュレーションおよび状態準備の保真度を向上。
• 消去変換が長距離秩序および量子臨界現象を含む量子シミュレーションの保真度を向上させることの証明。
• トラップ原子系における誤り検出と補正を可能にする、故障耐性量子計算へのスケーラブルな道筋の確立。

提案手法

• qubitサブスペースと誤り検出のための別々の測定サブスペースを有する、ストルシャイム原子を光学トラップで捕獲したRydberg量子シミュレータを用いる。
• Rydbergブロッキングを用いて、Rabi周波数Ωと相互作用シフトVを用いた制御されたラビ振動によりベル状態を生成し、Ω/V ≪ 1を満たす。
• 0.980の保真度で${}^{1}S_{0}$基底状態に存在する原子を24 μsの高速1ショットイメージングにより検出することで、漏れ誤りを検出し、消去誤りに変換する。
• 誤り除外を実装し、消去イメージで原子が検出された実験実行を破棄することで、既知の誤り位置を持つデータを除去する。
• 実験的不確実性をモデル化し、$P_{\text{rr}}$、$P_{\text{gg}}$、および$P_{\text{gr}}+P_{\text{rg}}$の確率分布をπおよび2π時間において抽出するために、ベータ分布に基づく連合フィッティング手順を用いる。
• 実験的に測定された誤りモデルを用いてSPAM（状態準備および測定）補正を実施し、保真度推定値を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラップ原子量子シミュレータにおいて、単一サイト分解能検出を用いて消去変換を実現できるか？
• RQ2 高速イメージングによる消去除外とRydbergブロッキングによるもつれを組み合わせた場合、実現可能なベル状態保真度はどの程度か？
• RQ3 消去除外は、長距離秩序および量子臨界現象を含む量子シミュレーションの保真度にどのように影響するか？
• RQ4 検出しきい値の設定によって、消去除外の制御はどの程度可能か？保真度の向上とデータ損失のバランスをとれるか？
• RQ5 提示された技術は、長寿命キュービットを用いた故障耐性量子誤り訂正に拡張可能か？

主な発見

• 生データのベル状態保真度は≥0.9971⁺¹⁰₋₁₃に達し、SPAM補正後は≥0.9985⁺⁷₋₁₂に向上し、ほぼ理想のもつれ状態を実証した。
• 消去除外により漏れ誤りの影響が低減され、保真度の向上は系サイズに比例して増大し、量子臨界現象を横断する準断熱的スイープの結果から明らかになった。
• 消去除外による保真度向上は検出しきい値によって制御可能であり、最適なしきい値は約5光子付近である。これ以上になると誤検出が増加し、保真度が低下する。
• 状態準備の系統的誤差はSPAM補正により顕著に低減され、高精度な状態生成が可能になった。
• 本手法により、長距離秩序の準備など、従来は見えにくかった誤りの影響を検出可能にした。
• 結果として、Rydbergベースのもつれ状態が~0.999の保真度領域に達し、技術的最適化によりさらなる向上が可能であることが示された。