[論文レビュー] Experimental verification of five-qubit quantum error correction with superconducting qubits

Ming Gong, Xiao Yuan+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、超伝導キュービットを用いて5キュービット量子誤り訂正符号を実験的に実装し、誤り訂正の主要な特徴を完全に検証した。符号空間内での論理状態の符号化が98.6(1)%の保証度で実現され、安定化子測定によって任意の1キュービット誤りを特定可能であり、論理パウリ操作が97.2(2)%の保証度で実行され、復号化のプロセス保証度が57.4(7)%に達した。これにより、超伝導プラットフォームにおけるフェイルセーフ量子計算の実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Quantum error correction is an essential ingredient for universal quantum computing. Despite tremendous experimental efforts in the study of quantum error correction, to date, there has been no demonstration in the realisation of universal quantum error correction code (QECC), with the subsequent verification of all key features including the identification of an arbitrary physical error, the capability for transversal manipulation of the logical state, and state decoding. To address this notoriously difficult challenge, we push the limits of the depth of superconducting quantum circuits and experimentally realise the universal five-qubit QECC, the so-called smallest perfect code that permits corrections of generic single-qubit errors. In the experiment, having optimised the encoding circuit, we employ an array of superconducting qubits to realise the five-qubit QECC for several typical logical states including the magic state, an indispensable resource for realising non-Clifford gates. The encoded states are prepared with an average fidelity of $57.1(3)\%$ while with a high fidelity of $98.6(1)\%$ in the code space. Then, the arbitrary single-qubit errors introduced manually are identified by measuring the stabilizers. We further implement logical Pauli operations with a fidelity of $97.2(2)\%$ within the code space. Finally, we realise the decoding circuit and recover the input state with a process fidelity of $57.4(7)\%$. After decoding, by identifying errors via the measurement of the four ancillae and then mathematically recovering the qubit state, we verify the power of error correction of this code. Thus, by demonstrating each key aspect of error correction with the five-qubit code, our work establishes the viability of experimental quantum error correction with superconducting qubits and paves the route to fault-tolerant quantum computing.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットを用いて、実際の物理系で量子誤り訂正の完全なサイクルを実証すること。
• 5キュービット符号のすべての主要な特徴、誤り同一定、論理状態の操作、状態の復号化を検証すること。
• 特に、普遍的量子計算に不可欠な「マジック状態」を含め、論理状態の符号化と復号化を高い保証度で達成すること。
• 超伝導量子回路を用いたフェイルセーフ量子計算の実現可能性を確立すること。

提案手法

• 符号空間内での高保証度な論理状態準備を実現するため、5キュービット符号の符号化回路を最適化した。
• 超伝導キュービットのアレイを用いて論理キュービットを実装し、誤り検出のための安定化子測定を実現した。
• 論理パウリ操作をトランスバーサル方式で適用し、符号化状態の高保証度な操作を実現した。
• 誤り訂正後の元の入力状態を回復するための復号化回路を実装した。
• 4つのアシスタントキュービットを用いて安定化子を測定し、任意の1キュービット誤りを同一定した。
• 安定化子測定の結果に基づいて数学的状態回復を実行し、誤り訂正の正当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5キュービット量子誤り訂正符号は、超伝導キュービットプラットフォームで完全に実装され、検証可能か？
• RQ2 物理的実装において、安定化子測定を用いて任意の1キュービット誤りが的確に検出され、是正可能か？
• RQ3 超伝導量子プロセッサにおいて、論理状態の準備、操作、復号化の保証度は何か？
• RQ4 非アービトリー・ゲートに不可欠なマジック状態は、この符号を用いて信頼性高く符号化され、保存可能か？

主な発見

• 符号化された論理状態は平均で57.1(3)%の保証度で準備され、高品質な状態準備を示した。
• 符号空間内での符号化状態の保証度は98.6(1)%に達し、ノイズからの効果的保護が確認された。
• 安定化子測定を用いて任意の1キュービット誤りが的確に特定され、誤り検出能力が実証された。
• 論理パウリ操作は97.2(2)%の保証度で実装され、信頼性の高い論理ゲート操作が実現された。
• 復号化回路はプロセス保証度57.4(7)%を達成し、誤り訂正後の入力状態の成功した回復が確認された。
• 符号化、誤り検出、論理操作、復号化の誤り訂正サイクル全体が実験的に検証され、5キュービット符号がフェイルセーフ量子計算への実現可能性のある道筋であることが裏付けられた。