[論文レビュー] Repetition cat-qubits: fault-tolerant quantum computation with highly reduced overhead

Jérémie Guillaud, Mazyar Mirrahimi|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、2光子駆動散乱過程によって安定化される猫キュービットを用いた1次元繰り返し符号を提案し、大幅に低減されたオーバーヘッドで耐障害性量子計算を実現する。ノイズバイアスを調整可能に保ち、ビット反転エラーを指数関数的に抑制することで、魔法状態蒸留を必要とせず、Toffoliを含むユニバーサルな論理ゲートセットを実装可能であり、既存の実験的セットアップへのわずかな変更で実現可能である。

ABSTRACT

We present a 1D repetition code based on the so-called cat qubits as a viable approach toward hardware-efficient universal and fault-tolerant quantum computation. The cat qubits that are stabilized by a two-photon driven-dissipative process, exhibit a tunable noise bias where the effective bit-flip errors are exponentially suppressed with the average number of photons. We propose a realization of a set of gates on the cat qubits that preserve such a noise bias. Combining these base qubit operations, we build, at the level of the repetition cat qubit, a universal set of fully protected logical gates. This set includes single-qubit preparations and measurements, NOT, controlled-NOT, and controlled-controlled-NOT (Toffoli) gates. Remarkably, this construction avoids the costly magic state preparation, distillation, and injection. Finally, all required operations on the cat qubits could be performed with slight modifications of existing experimental setups.

研究の動機と目的

• 最小限のリソースオーバーヘッドで実現可能なハードウェア効率の良い耐障害性量子計算フレームワークの開発。
• スレートコードアーキテクチャにおける魔法状態蒸留の高いオーバーヘッド問題の解決。
• エンジニアド散乱とゲート設計を通じて、猫キュービットにおけるノイズバイアスの維持。
• 魔法状態注入を必要とせず、Toffoliを含むユニバーサルな論理ゲートセットの実装。
• 既存の実験的セットアップへの最小限のハードウェア変更で実現可能な互換性の確保。

提案手法

• 2光子駆動散乱過程によって安定化される猫キュービットを用い、平均光子数が増加するに従いビット反転エラーが指数関数的に抑制される調整可能なノイズバイアスを実現する。
• ノイズバイアスを維持する物理的ゲートの設計により、計算中における論理エラー抑制を維持する。
• 猫キュービット上に1次元繰り返し符号を構築し、論理キュービットを符号化しエラーから保護する。
• ネイティブなノイズバイアス維持ゲートのみを用いて、単一キュービット操作、CNOT、およびToffoliゲートを論理レベルで組み合わせる。
• すべての必要な操作が、既存の実験的セットアップへのわずかな変更で実現可能であることを示す。
• コード空間上で直接ユニバーサルゲートを実装することで、魔法状態の準備、蒸留、注入を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 猫キュービットに基づく1次元繰り返し符号は、低減されたオーバーヘッドで耐障害性量子計算を実現可能か？
• RQ2 ユニバーサルゲート操作中に猫キュービットにおけるノイズバイアスをどのように維持できるか？
• RQ3 魔法状態蒸留を必要とせず、Toffoliを含むユニバーサルゲートセットを実装可能か？
• RQ4 必要な操作は、既存の実験的プラットフォームへのわずかな変更でのみ実現可能か？
• RQ5 提案された手法による有効な論理エラー抑制はどの程度達成可能か？

主な発見

• 2光子駆動散乱過程により、平均光子数が増加するに従い、ビット反転エラーが指数関数的に抑制される調整可能なノイズバイアスを有する猫キュービットが安定化される。
• 提案されたゲートセットはノイズバイアスを維持しており、高エラー論理ゲートを導入することなく耐障害性操作を可能にする。
• NOT、CNOT、およびTofolliを含むユニバーサルな論理ゲートセットが、繰り返し猫キュービットコード上に直接実装される。
• 魔法状態の準備、蒸留、注入の必要性が排除され、リソースオーバーヘッドが顕著に低減される。
• すべての操作が、既存の実験的セットアップへのわずかな変更で実現可能であり、実用的実現可能性が保証される。
• 本手法により、顕著に低減されたハードウェアおよび運用的オーバーヘッドで耐障害性量子計算が達成される。