[論文レビュー] Exponential suppression of bit or phase flip errors with repetitive quantum error correction

Zijun Chen, Kevin J. Satzinger+89 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、2次元超伝導キュービットグリッドにおける1次元繰り返し符号を用いて、ビット反転誤りと位相反転誤りの指数的抑制を示した。物理キュービット数を5から21にスケーリングした際、論理的誤り率が100倍以上低下し、50回の誤り訂正ラウンドにわたり安定した性能を示した。本研究では高精度な誤り相関解析を導入し、誤りの局所性を確認した。これにより、超伝導プラットフォームにおける誤り耐容量子計算への進展が裏付けられた。

ABSTRACT

Realizing the potential of quantum computing will require achieving sufficiently low logical error rates. Many applications call for error rates in the $10^{-15}$ regime, but state-of-the-art quantum platforms typically have physical error rates near $10^{-3}$. Quantum error correction (QEC) promises to bridge this divide by distributing quantum logical information across many physical qubits so that errors can be detected and corrected. Logical errors are then exponentially suppressed as the number of physical qubits grows, provided that the physical error rates are below a certain threshold. QEC also requires that the errors are local and that performance is maintained over many rounds of error correction, two major outstanding experimental challenges. Here, we implement 1D repetition codes embedded in a 2D grid of superconducting qubits which demonstrate exponential suppression of bit or phase-flip errors, reducing logical error per round by more than $100 imes$ when increasing the number of qubits from 5 to 21. Crucially, this error suppression is stable over 50 rounds of error correction. We also introduce a method for analyzing error correlations with high precision, and characterize the locality of errors in a device performing QEC for the first time. Finally, we perform error detection using a small 2D surface code logical qubit on the same device, and show that the results from both 1D and 2D codes agree with numerical simulations using a simple depolarizing error model. These findings demonstrate that superconducting qubits are on a viable path towards fault tolerant quantum computing.

研究の動機と目的

• 量子誤り訂正（QEC）を用いて、超伝導キュービットにおける論理的誤りの指数的抑制を達成すること。
• 誤り耐容量子計算における主要な課題である、複数ラウンドにわたる誤り訂正性能の安定性を実証すること。
• 高精度な解析手法を用いて、QECデバイスにおける誤りの局所性を初めて特徴づけること。
• 同一のハードウェアプラットフォーム上での1次元繰り返し符号と2次元サーフェス符号のQEC性能の一貫性を検証すること。

提案手法

• 物理キュービットを複数にわたって論理キュービットを符号化するために、2次元グリッド上の超伝導キュービットに1次元繰り返し符号を実装すること。
• 時間経過にわたる論理状態の整合性を維持するために、繰り返しのシンドローム測定と誤り訂正を実施すること。
• QECデバイスにおける誤り相関を評価するために、誤りの局所性を高精度に分析する手法を開発すること。
• 1次元および2次元の符号両方の実験結果と比較するため、単純なデポラライジング誤りモデルを用いて数値シミュレーションを実施すること。
• 同じデバイス上に小型の2次元サーフェス符号論理キュービットを統合し、誤り訂正性能の相互検証を実施すること。
• 実験的結果と数値シミュレーションを比較することで、理論的予想と整合することを確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元超伝導キュービットアーキテクチャ上での1次元繰り返し符号は、物理キュービット数の増加に伴い、ビット反転誤りと位相反転誤りを指数的に抑制できるか？
• RQ2 本実験では50ラウンドにわたって誤り訂正性能が安定しているか？
• RQ3 誤りはどの程度局所的に発生しているか？ また、導入された解析手法により、高精度に測定可能か？
• RQ4 1次元繰り返し符号の結果は、同一ハードウェアプラットフォーム上での2次元サーフェス符号の結果と整合するか？
• RQ5 観測された誤り行動は、シミュレーションで用いられた単純なデポラライジング誤りモデルと整合しているか？

主な発見

• 1次元繰り返し符号において、物理キュービット数を5から21にスケーリングした際、論理的誤り率が100倍以上低下した。
• 誤り訂正の50ラウンドにわたり、誤り抑制が安定した。これは、リアルタイムQECプロトコルにおける持続的性能を示している。
• 高精度な誤り相関解析手法の開発により、QECデバイスにおける誤りの局所性を初めて特徴づけることが可能になった。
• 1次元繰り返し符号および小型2次元サーフェス符号の両方の実験的結果が、単純なデポラライジング誤りモデルを用いた数値シミュレーションと定量的に一致した。
• これらの発見により、物理誤り率がしきい値未満であり、誤りが局所的である場合、超伝導キュービットが誤り耐容量子計算を実現可能であることが裏付けられた。