[論文レビュー] Protecting quantum entanglement from qubit errors and leakage via repetitive parity measurements

Cornelis Christiaan Bultink, Thomas E. O’Brien+10 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、繰り返しのパリティ測定と隠れマルコフモデルを用いて、超伝導キュービットにおける量子もつれを保護する手法を提案している。後選別とパウリフレーム補正を用いることで、26回のパリティ測定にわたりベル状態の安定化が達成され、大規模な量子プロセッサにおけるリアルタイムのリーク状態追跡が可能になった。

ABSTRACT

Protecting quantum information from errors is essential for large-scale quantum computation. Quantum error correction (QEC) encodes information in entangled states of many qubits, and performs parity measurements to identify errors without destroying the encoded information. However, traditional QEC cannot handle leakage from the qubit computational space. Leakage affects leading experimental platforms, based on trapped ions and superconducting circuits, which use effective qubits within many-level physical systems. We investigate how two-transmon entangled states evolve under repeated parity measurements, and demonstrate the use of hidden Markov models to detect leakage using only the record of parity measurement outcomes required for QEC. We show the stabilization of Bell states over up to 26 parity measurements by mitigating leakage using postselection, and correcting qubit errors using Pauli-frame transformations. Our leakage identification method is computationally efficient and thus compatible with real-time leakage tracking and correction in larger quantum processors.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットおよびトラップドアイオントラップにおける計算サブスペースからのリークが、量子誤り訂正を損なうという課題に対処すること。
• 量子誤り訂正に必要なパリティ測定結果のみを用いて、リークを計算的に効率よく同定する手法を開発すること。
• キュービットの誤りとリークが存在する中で、複数回のパリティ測定サイクルにわたりもつれたベル状態を安定化すること。
• 後選別とパウリフレーム変換を用いて、大規模な量子プロセッサにおけるリアルタイムのリーク状態追跡と補正を可能にすること。

提案手法

• 2トランスモン系の繰り返しパリティ測定を用いて、誤りおよびリークイベントをモニタリングすること。
• パリティ測定記録に隠れマルコフモデルを適用し、追加の測定コストなしにリークの存在を推定すること。
• リークが検出された実行を除外する後選別を実装し、論理キュービット状態の維持を図ること。
• パリティ測定結果を用いてパウリフレーム変換によりキュービット誤りを補正すること。
• 既存のパリティ測定記録を活用し、同時にリーク検出と誤り訂正を実行すること。
• スケーラブルな量子アーキテクチャにおけるリアルタイム処理と互換性のあるフレームワークを設計すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子誤り訂正に必要なパリティ測定結果のみを用いて、超伝導キュービットにおけるリークを検出できるか？
• RQ2 2トランスモン系において、パリティ測定記録から隠れマルコフモデルがどれほど効果的にリークイベントを同定できるか？
• RQ3 リークが後選別によって補正された場合、繰り返しのパリティ測定にわたりベル状態をどの程度安定化できるか？
• RQ4 リーク検出とパウリフレーム誤り訂正を組み合わせた場合、論理状態の忠実度にどの程度の向上が得られるか？
• RQ5 提案手法は、大規模な量子プロセッサにおけるリアルタイム実装に十分な計算効率を備えているか？

主な発見

• 追加の測定リソースを必要とせず、パリティ測定記録のみを用いてリークを効果的に検出できた。
• 後選別とパウリフレーム補正を組み合わせることで、最大26回の連続したパリティ測定にわたりベル状態の安定化が達成された。
• 隠れマルコフモデルアプローチにより、低い計算コストで正確なリーク同定が可能となった。
• 後選別とパウリフレーム変換の組み合わせにより、もつれた状態の生存時間が顕著に延長された。
• フレームワークは計算的に効率的であり、スケーラブルな量子プロセッサにおけるリアルタイム実装に適していた。
• 従来の量子誤り訂正プロトコルとの互換性を維持しながら、リークの取り扱い能力を拡張した。