[論文レビュー] Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays

Dolev Bluvstein, Simon J. Evered+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 99被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、再構成可能な中性原子アレイを用いてエンコードされた論理量子ビットのプログラム可能な処理系を報告し、最大280個の物理量子ビット、さまざまな誤り訂正コード、フォルトトレラントゲート、中間回路読み出し、複雑な3DコードやIQPスタイルのサンプリングを含むスケーラブルな論理アルゴリズムを達成します。

ABSTRACT

Suppressing errors is the central challenge for useful quantum computing, requiring quantum error correction for large-scale processing. However, the overhead in the realization of error-corrected ``logical'' qubits, where information is encoded across many physical qubits for redundancy, poses significant challenges to large-scale logical quantum computing. Here we report the realization of a programmable quantum processor based on encoded logical qubits operating with up to 280 physical qubits. Utilizing logical-level control and a zoned architecture in reconfigurable neutral atom arrays, our system combines high two-qubit gate fidelities, arbitrary connectivity, as well as fully programmable single-qubit rotations and mid-circuit readout. Operating this logical processor with various types of encodings, we demonstrate improvement of a two-qubit logic gate by scaling surface code distance from d=3 to d=7, preparation of color code qubits with break-even fidelities, fault-tolerant creation of logical GHZ states and feedforward entanglement teleportation, as well as operation of 40 color code qubits. Finally, using three-dimensional [[8,3,2]] code blocks, we realize computationally complex sampling circuits with up to 48 logical qubits entangled with hypercube connectivity with 228 logical two-qubit gates and 48 logical CCZ gates. We find that this logical encoding substantially improves algorithmic performance with error detection, outperforming physical qubit fidelities at both cross-entropy benchmarking and quantum simulations of fast scrambling. These results herald the advent of early error-corrected quantum computation and chart a path toward large-scale logical processors.

研究の動機と目的

• 再構成可能な中性原子アレイのエンコード済み量子ビットを用いて、プログラム可能な論理量子プロセッサを実証する。
• 論理操作を大規模に可能にするフォルトトレラントな横断ゲートと中間回路読み出しを紹介する。
• コード距離、カラーコード、サーフェスコード、3Dコードを用いた複雑な論理回路とサンプリングタスクのためのスケーリングを探索する。
• 物理量子ビットと比較して、論理エンコードとエラーディテクションによるアルゴリズム性能の改善を評価する。
• 大規模で初期の誤り訂正を伴う量子計算へ向けた道筋を明らかにする。

提案手法

• サーフェコード、カラーコード、および3D [[8,3,2]] コードを用いて多くの物理量子ビットにわたる論理量子ビットをエンコードする。
• 2D AODsの平行グリッドとグローバルなRydberg結合パルスによる横断的な論理ゲートを実現する。
• 専用の読み出しゾーンとFPGAベース処理を用いた中間回路読み出しとフォワードフードバックを実装する。
• 横断的CNOTゲートの際のコード間での誤り伝播を考慮する相関デコーディングを採用する。
• ストレージゾーンとエンタングリングゾーンを持つゾーン分割アーキテクチャを用いて、40カラーコード、280物理量子ビットまで大規模な論理ブロックへ拡張する。
• エラーディテクション技術を用いて、非局所接続を持つ12論理量子ビットの複雑な論理回路とIQP風サンプリングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再構成可能な中性原子アレイは、エンコード済み量子ビット間の横断フォルトトレラントゲートを実装するプログラム可能な論理量子プロセッサを提供できるか。
• RQ2 コード距離の増加が、サーフェスコードおよびカラーコード論理量子ビットのエンタングリングゲートの忠実度と誤り抑制にどのように影響するか。
• RQ3 大規模なフォルトトレラント計算を維持するための中間回路読み出しとフォワードフードバックの実用性はどうか。
• RQ4 3Dコードは横断的なノンクリフォード操作を可能にし、論理的枠組みの中で古典的に困難なサンプリング回路を可能にするか。
• RQ5 相関デコーディングが論理ゲート性能の向上においてどのような利点と限界をもたらすか。

主な発見

• d=7のサーフェスコード間の横断CNOTゲートは、従来のデコーディングと比較して相関デコーディングによるエンタングリング性能の改善を示す。
• 10カラーコード量子ビットのフォルトトレラントな論理GHZ状態の準備は高忠実度を達成し、中間回路操作を用いて40カラーコード（280物理量子ビット）へとスケールする。
• 2Dカラーコードと3D [[8,3,2]] ブロックを用いた論理アルゴリズムは、Cliffordおよびノンクリフォード操作を横断的に実現し、複雑なサンプリング回路とIQP風タスクを可能にする。
• 12論理量子ビットのスクランブル回路は誤り検出付きでXEBを0.616(7)まで達成；48論理量子ビット回路はXEB ≈ 0.1へ到達し、量子サンプリングの優位性の可能性を示す。
• 二重コピー測定とベル差分サンプリングはエンタングルメント、マジックを定量化し、部分事後選択とノイズ除去推定による誤差緩和を可能にする。
• ストレージゾーンとエンタングリングゾーンを備えるゾーン構造は40カラーコードおよび280物理量子ビットへのスケーリングを支え、中間回路読み出しはフォワードフードバックとエンタングルメントテレポーテーションを可能にする。