[논문 리뷰] Data and plotting code for 'Mid-circuit correction of correlated phase errors using an array of spectator qubits'

Kevin Singh, C. E. Bradley외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 24.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중성 원자 양자 프로세서에서 루비디움 데이터 큐비트에 영향을 주는 노이즈를 감지하고 일관된 보정을 수행하기 위해 세슘 관찰 큐비트 어레이를 사용하여 관련된 위상 오차를 실시간으로 보정하는 것을 보여준다. 관찰 큐비트의 단일 스탑(mid-circuit) 읽기 및 실시간 피드포워드 보정을 수행함으로써, 11 mG 이내의 디코herence를 억제하고, 관찰 큐비트의 대trast가 이상적일 경우 데이터 큐비트의 품질을 97.4%까지 높여, 노이즈가 있고 상관관계가 있는 환경에서 확장 가능한 오류 보정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Scaling up invariably error-prone quantum processors is a formidable challenge. While quantum error correction ultimately promises fault-tolerant operation, the required qubit overhead and error thresholds are daunting, and many codes break down under correlated noise. Recent proposals have suggested a complementary approach based on co-located, auxiliary 'spectator' qubits. These act as in-situ probes of noise, and enable real-time, coherent corrections of the resulting errors on the data qubits. Here, we use an array of cesium spectator qubits to correct correlated phase errors on an array of rubidium data qubits. Crucially, by combining in-sequence readouts, data processing, and feed-forward operations, these correlated errors are suppressed within the execution of the quantum circuit. The protocol is broadly applicable to quantum information platforms, and our approach establishes key tools for scaling neutral-atom quantum processors: mid-circuit readout of atom arrays, real-time processing and feed-forward, and coherent mid-circuit reloading of atomic qubits.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 프로세서에서 발생하는 상관관계 있는 노이즈 문제를 해결함으로써, 기존의 양자 오류 정정 기법의 성능 저하를 방지하고자 한다.
• 노이즈 스펙트럼이나 상관 시간에 대한 사전 지식이 필요 없는 실시간, 현장 내 오류 보정 프로토콜을 개발하고자 한다.
• 최소한의 간섭 없이 데이터 큐비트의 위상 일관성을 유지하면서, 이중 종류의 원자 어레이에서 중간 회로 읽기, 실시간 처리, 피드포워드 보정을 구현하고자 한다.
• 데이터 큐비트의 위상 일관성 시간 내에 관찰 큐비트를 재충전하여 반복적인 오류 보정을 가능하게 하고자 한다.
• 약 60개의 데이터 큐비트와 약 60개의 관찰 큐비트를 포함하는 실험 시스템에서 프로토콜을 실험적으로 검증하여, 최대 11 mG까지의 디코herence 억제를 보여주고자 한다.

제안 방법

• 레이저 포획된 루비디움(데이터 큐비트)과 세슘(관찰 큐비트) 원자로 이루어진 이중 종류의 어레이를 사용하며, 큐비트는 초미세 수준의 상태에 인코딩된다.
• 데이터 큐비트의 위상 일관성을 손상시키지 않으면서, 전역적으로 관련된 위상 오차를 추정하기 위해 관찰 큐비트의 중간 회로, 단일 스탑 광학 방출 읽기를 수행한다.
• 클래식 제어 아키텍처를 활용하여 관찰 큐비트의 읽기 결과를 실시간으로 처리하고, 데이터 큐비트에 피드포워드 유니터리 보정을 적용한다.
• 데이터 큐비트와 관찰 큐비트에 노이즈로 인한 위상 이동이 동일한 응답을 보인다는 가정에 기반한다.
• 마이크로파 라비 진동을 사용하여 큐비트의 위상 일관성을 특성화하고, 제어된 노이즈 주입 조건 하에서 프로토콜의 효과성을 검증한다.
• 실험적 불일치 요인(예: 보정 부족, 유한한 펄스 지속 시간)을 보정하기 위해 무자료 모델을 구현하여 시스템 행동을 시뮬레이션하고 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 회로 읽기 및 실시간 피드포워드 보정이 중성 원자 양자 프로세서에서 상관관계 있는 위상 오차를 억제할 수 있는가?
• RQ2 관찰 큐비트가 데이터 큐비트에 영향을 주는 노이즈를 감지하고 보정할 수 있는가? 이 과정에서 데이터 큐비트의 위상 일관성이 떨어지지 않는가?
• RQ3 관찰 큐비트의 대비도와 관찰 큐비트의 수가 프로토콜 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 프로토콜이 효과적으로 억제할 수 있는 최대 노이즈 강도는 얼마인가? (단위: mG)
• RQ5 관찰 큐비트를 데이터 큐비트의 위상 일관성 시간 내에 재충전할 수 있는가? 이를 통해 반복적인 오류 보정이 가능해지는가?

주요 결과

• 프로토콜은 11 mG 이내의 상관관계 있는 위상 오차를 성공적으로 억제하며, 실험 결과는 이 임계값까지의 강건성을 보여준다.
• 노이즈를 주입하지 않은 조건에서 현재 실험 설정(N=61명의 관찰 큐비트, C=0.46) 하에서는 데이터 큐비트의 품질이 88.0%이며, 관찰 큐비트의 대비도 C=1일 경우 97.4%로 향상된다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 관찰 큐비트 수를 165로 증가시키면 대비도 C=0.46일 경우 품질이 95.6%로 향상되며, C=1일 경우 99.0%로 향상됨을 확인하여, 제한된 대비도가 주요 오류 원인임을 입증한다.
• 유한한 관찰 큐비트 읽기 시간으로 인해 공명 피크의 끝부분에서 약간의 노이즈 민감도가 발생하지만, 전반적으로 디코herence 억제 효과는 뚜렷하다.
• 관찰 큐비트는 데이터 큐비트의 위상 일관성 시간 내에 재충전 가능하여 반복 측정과 지속적인 운영이 가능하다.
• 실험과 시뮬레이션 간의 불일치는 비선형적 노이즈 합성과 불완전한 위상 추정에 기인하며, 상태 준비 향상과 읽기 시간 단축으로 이를 완화할 수 있다.