[논문 리뷰] Demonstrating a superconducting dual-rail cavity qubit with erasure-detected logical measurements

Kevin Chou, Tali Shemma외 32명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 9

한 줄 요약

본 논문은 소거 검출 로지컬 측정이 가능한 듀얼 레일 초전도 공동 공진기 큐비트를 실험적으로 시연하고, 높은 SPAM 충실도를 달성하며 대부분의 decay 오류를 소거로 전환해 효율적인 오류 정정 벤치마크를 가능하게 한다.

ABSTRACT

A critical challenge in developing scalable error-corrected quantum systems is the accumulation of errors while performing operations and measurements. One promising approach is to design a system where errors can be detected and converted into erasures. Such a system utilizing erasure qubits are known to have relaxed requirements for quantum error correction. A recent proposal aims to do this using a dual-rail encoding with superconducting cavities. However, experimental characterization and demonstration of a dual-rail cavity qubit has not yet been realized. In this work, we implement such a dual-rail cavity qubit; we demonstrate a projective logical measurement with integrated erasure detection and use it to measure dual-rail qubit idling errors. We measure logical state preparation and measurement errors at the $0.01\%$-level and detect over $99\%$ of cavity decay events as erasures. We use the precision of this new measurement protocol to distinguish different types of errors in this system, finding that while decay errors occur with probability $\sim 0.2\%$ per microsecond, phase errors occur 6 times less frequently and bit flips occur at least 140 times less frequently. These findings represent the first confirmation of the expected error hierarchy necessary to concatenate dual-rail erasure qubits into a highly efficient erasure code.

연구 동기 및 목표

• 양자 오류 정정을 완화하도록 소거 큐비트를 동기화하고 구현한다.
• 회로 QED에서 통합된 소거 검출 로지컬 측정이 가능한 듀얼-레일 큐비트를 구현한다.
• SPAM 및 누설 검출 성능을 정량화하고 아이딩(idling) 오류율을 특성화한다.
• 향후 소거 코드 통합을 위한 오류 계층(감쇠, 위상, 비트 뒤집기)을 확립한다.]
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제안 방법

• 큐비트를 제어 및 읽출을 위한 보조 트랜싼슨으로 두 개의 공동 공진기의 듀얼 레일에 큐비트를 인코딩한다.
• 포톤 수 선택적 π 펄스를 수행하여 공동 공진기 상태를 트랜싼슨 상태로 매핑하고 분산 읽출(disperi sive readout)로 결과를 결정한다.
• 종말 지점에서의 소거 검출 로지컬 측정을 엔드-오브-더-라인으로 구현하고 하나 이상의 공동 공진기 측정 라운드와 디코딩 전략을 사용한다.
• |01⟩ 또는 |10⟩를 준비하고 로지컬 오분배 및 소거 분수를 평가하여 로지컬 SPAM을 측정한다.
• 의도적으로 누설 상태를 준비하고 검출 오류를 정량화하여 누설-소거 전환 효율을 평가한다.
• 관찰된 오류를 특정 물리적 프로세스로 귀속하기 위해 시뮬레이션과 간략한 오류 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 듀얼-레이 큐비트가 ultra-low misassignment 오류를 가진 소거 검출 로지컬 측정을 제공할 수 있는가?
• RQ2 감쇠 오류를 소거로 전환하는 효과성과 누설 검출 효율이 (>99%)인가?
• RQ3 이 아키텍처에서 지연 아이딩 오류율(비트-플리프, 위상)은 어떤가, 그리고 소거율과의 비교는?
• RQ4 다중 라운드 측정 및 디코딩 전략이 로지컬 오분배 및 소거율에 어떤 영향을 주는가?

주요 결과

• 로지컬 오분배 오류: (1.8 ± 0.3) × 10^−4 상태 준비를 평균화한 값.
• 소거 분수: 한 라운드 SPAM 측정에서 (6.03 ± 0.05) × 10^−2.
• 누설 검출 오류: (7.7 ± 0.3) × 10^−3로, 누설의 >99%를 소거로 전환.
• 두 번의 라운드 측정에서 로지컬 오분배를 (4 ± 2) × 10^−5로, 누설 검출 오류를 (1.2 ± 0.1) × 10^−3로 줄이고 소거 분수는 (17 ± 0.1) × 10^−2로 증가.
• 공진기 감쇠율: μs당 약 0.2%; 위상 오류는 약 6배 더 작고 비트-플립 오류는 감쇠 오류보다 최소 140배 작다.
• Ramsey 및 에코 위상 소멸 속도: Γ_Rφ = 1/(2.2 ± 0.2 ms) and Γ_Eφ = 1/(2.7 ± 0.2 ms); 위상 플립 확률 p_φ ≈ 0.023% 및 0.019% per 마이크로초, 각각.