[論文レビュー] Hardware-Efficient, Fault-Tolerant Quantum Computation with Rydberg Atoms

Iris Cong, Harry Levine+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、Rydberg状態の崩壊と相関する誤りを扱うことにより、Rydberg原子量子コンピュータにおけるハードウェア効率的で耐故障性のある量子計算プロトコルを提示している。Ryd-3およびSteaneベースの符号を導入し、それぞれ1つの論理量子ビットあたり3および9個の原子を用いることで、一般の手法と比較してリソースのオーバーヘッドを低減した一次の耐故障性を実現し、スケーラブルな三角形および正方形格子上での実現可能性を示している。

ABSTRACT

Neutral atom arrays have recently emerged as a promising platform for quantum information processing. One important remaining roadblock for the large-scale application of these systems is the ability to perform error-corrected quantum operations. To entangle the qubits in these systems, atoms are typically excited to Rydberg states, which could decay or give rise to various correlated errors that cannot be addressed directly through traditional methods of fault-tolerant quantum computation. In this work, we provide the first complete characterization of these sources of error in a neutral-atom quantum computer and propose hardware-efficient, fault-tolerant quantum computation schemes that mitigate them. Notably, we develop a novel and distinctly efficient method to address the most important errors associated with the decay of atomic qubits to states outside of the computational subspace. These advances allow us to significantly reduce the resource cost for fault-tolerant quantum computation compared to existing, general-purpose schemes. Our protocols can be implemented in the near-term using state-of-the-art neutral atom platforms with qubits encoded in both alkali and alkaline-earth atoms.

研究の動機と目的

• 中性原子量子コンピュータにおけるRydberg状態の崩壊と相関する誤りが、耐故障性量子計算（FTQC）を妨げるという課題に対処すること。
• Rydberg状態の崩壊が漏れと高重みの相関誤りを引き起こすというRydberg原子系の特徴的な誤りモデルに適合した、ハードウェア効率的なFTQCスキームを開発すること。
• 一般のFTQCプロトコルと比較して、顕著にリソースのオーバーヘッドを低減した形で耐故障性量子計算を実現できることを示すこと。
• アルカリ金属および alkaline-earth 原子を用いた最新の中性原子プラットフォームを活用して、論理量子ビットの近い将来の実装を可能にすること。
• Rydberg系では一次のパウリ-X誤りが存在しないため、3量子ビットの繰り返し符号が一次の耐故障性を達成できることを示すこと。

提案手法

• 著者らは、Rydberg状態の崩壊とレーザーパルスの不完全性に起因する誤りモデルを同定し、漏れと相関誤りを主な課題と特定した。
• 長寿命のRydberg状態をシャービング状態として活用することで、選択的光ポンピングを用いて漏れ誤りを補正する新規な手法を提案した。
• Ryd-3プロトコルは、XおよびY型誤りを状態選択的ポンピングによって回避するバイアス保存型CNOTゲートを備えた3原子繰り返し符号を用いる。
• より高い耐故障性を実現するため、物理的Rydbergゲートに分解された論理操作を実装する9原子レイアウトを用いて7量子ビットのSteane符号を実装した。
• ブロッキング半径を調整することで、すべての必要なエンタングルゲート（特に論理的CCZゲートも含む）を実現可能な、格子に適合したレイアウト（三角形および正方形）を設計した。
• ゲートの忠実度と論理ゲート実装を保証するため、正確なブロッキング半径要件（例：正方形格子では $ R_{B,1} > \sqrt{10}d $）を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Rydberg状態の崩壊と相関誤りのリスクが非常に高いにもかかわらず、Rydberg原子系で耐故障性量子計算を達成できるか？
• RQ2 Rydberg原子プラットフォームで論理量子ビットを耐故障的に符号化するために必要な最小の物理量子ビット数はいくつか？
• RQ3 論理ゲートのオーバーヘッドを増加させずに、Rydberg崩壊に起因する漏れ誤りを効率的に補正できるか？
• RQ4 Rydberg系では一次のX誤りが存在しないため、3量子ビットの繰り返し符号を用いて耐故障性量子計算を実現できるか？
• RQ5 どのような格子幾何学的配置とブロッキング半径設定が、Rydberg原子アレイにおけるユニバーサル論理ゲートのスケーラブルな実装を可能にするか？

主な発見

• Ryd-3プロトコルは、Rydberg系における一次のパウリ-X誤りの不在を活用し、1つの論理量子ビットあたり3個の物理原子のみで一次の耐故障性を達成した。
• 著者らは、9原子レイアウトで符号化されたSteane符号が、論理ハダマードゲートおよびトフォリゲートを含むユニバーサルな耐故障性操作を実現できることを示した。
• 一般の手法と比較して、耐故障性量子計算のリソースコストが顕著に削減され、必要な量子ビット数が少なく、しきい値誤り率も低くなった。
• プロトコルは三角形格子および正方形格子の両方で実装可能であり、正方形格子ではアーキテクチャの高密度なアシスタント状態により論理的トフォリ回路のゲート数が4個削減された。
• 物理的CCZゲートがすべて論理的CCZ操作で実現可能であることを保証するため、正確なブロッキング半径要件（例：$ R_{B,1} > \sqrt{10}d $）を導出した。
• Rydbergシェルビングを用いた新規な光ポンピング手順により、$ m_F > 0 $ および $ m_F < 0 $ 状態の選択的ポンピングが可能となり、バイアス保存型CNOTゲートにおけるXおよびY型誤りが最小限に抑えられた。