[논문 리뷰] Dual-rail encoding with superconducting cavities

James D. Teoh, Patrick Winkel외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 124인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 초도체 마이크로파 공진기의 단일 광자 부분공간에 인코딩된 듀얼레일 큐비트를 제안하며, 회로-QED를 활용해 주요 광자 손실 오류를 탐지하고 소거 오류로 전환한다. 큐비트당 하나의 트랜몬 보조 큐비트만으로도 보편 게이트 연산이 가능하며, 파울리 오류가 소거 오류보다 수개월 정도 작아지는 유리한 오류 계층을 달성하고, 현재의 공명 시간을 고려할 때 서피스 코드 임계값 이하의 논리 오류율을 지원한다.

ABSTRACT

The design of quantum hardware that reduces and mitigates errors is essential for practical quantum error correction (QEC) and useful quantum computation. To this end, we introduce the circuit-Quantum Electrodynamics (QED) dual-rail qubit in which our physical qubit is encoded in the single-photon subspace of two superconducting microwave cavities. The dominant photon loss errors can be detected and converted into erasure errors, which are in general much easier to correct. In contrast to linear optics, a circuit-QED implementation of the dual-rail code offers unique capabilities. Using just one additional transmon ancilla per dual-rail qubit, we describe how to perform a gate-based set of universal operations that includes state preparation, logical readout, and parametrizable single and two-qubit gates. Moreover, first-order hardware errors in the cavities and the transmon can be detected and converted to erasure errors in all operations, leaving background Pauli errors that are orders of magnitude smaller. Hence, the dual-rail cavity qubit exhibits a favorable hierarchy of error rates and is expected to perform well below the relevant QEC thresholds with today's coherence times.

연구 동기 및 목표

• 오류율을 낮추고 논리 신뢰도를 향상시키는 하드웨어 효율적인 양자 오류 수정(QEC) 플랫폼을 설계한다.
• 초도체 공진기에서 지배적인 광자 손실 오류를 탐지 가능한 소거 오류로 전환하여 완화한다.
• 최소한의 보조 큐비트 오버헤드로 상태 준비, 논리적 읽기, 가변 파rametric 단일 및 이중 큐비트 게이트를 포함한 보편적 양자 연산을 구현한다.
• 파울리 오류가 소거 오류보다 수개월 정도 작아지는 유리한 오류 계층을 달성하여 QEC 임계값 이하의 성능을 달성한다.
• 공진기 시스템의 노이즈 비율과 보조 큐비트를 활용한 오류 탐지 기법을 활용해 확장 가능하고 고장 내성 있는 양자 계산을 실현한다.

제안 방법

• 두 개의 결합된 초도체 마이크로파 공진기의 단일 광자 부분공간 {|01⟩, |10⟩} 에 논리 큐비트를 인코딩한다.
• 비교적 강한 결합된 트랜몬 보조 큐비트를 사용하여 빔스플리터 유사 상호작용을 통해 상태 준비, 측정 및 게이트 연산을 수행한다.
• 트랜몬-공진기 결합을 통해 생성된 제어된-Z (ZZ) 상호작용을 이용해 가변 파rametric 단일 및 이중 큐비트 게이트를 실현한다.
• 단일 에너지 상태를 트랜몬에서 공진기로 전송하기 위해 사이드밴드 드라이브를 활용하여 빠르고 고정밀도의 상태 준비를 구현한다.
• 패리티 측정과 동적 분리 기법을 사용하여 인접한 듀얼레일 큐비트 간의 원치 않는 크로스-켈러 상호작용을 탐지하고 억제한다.
• 트랜몬-공진기 결합 강도(χ ≈ 10 MHz)를 설계하여 빠른 이중 큐비트 게이트(~100 ns)를 구현하면서 위상 분산 및 풀러엘 효과를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초도체 공진기에서의 광자 손실 오류는 탐지 가능하고 소거 오류로 전환되어 QEC 성능이 향상될 수 있는가?
• RQ2 큐비트당 하나의 트랜몬 보조 큐비트만으로도 보편적인 논리적 연산을 수행할 수 있는가?
• RQ3 듀얼레일 공진기 큐비트는 파울리 오류가 소거 오류보다 현저히 작아지는 유리한 오류율 계층을 보이는가?
• RQ4 현재의 공명 시간을 고려할 때 이 방법이 서피스 코드 임계값 이하의 논리 오류율을 달성할 수 있는가?
• RQ5 게이트 연산 중 발생하는 원치 않는 비선형성, 예를 들어 크로스-켈러 결합은 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 듀얼레일 공진기 큐비트는 지배적인 광자 손실 오류를 탐지 가능한 소거 오류로 전환하여 수정이 더 쉽고 임계값이 높은 오류로 만든다.
• 큐비트당 하나의 트랜몬 보조 큐비트만으로도 상태 준비, 논리적 읽기, 가변 파rametric 단일 및 이중 큐비트 게이트를 포함한 보편적 게이트 연산이 가능하다.
• 공진기와 트랜몬에서의 1차 오류는 탐지 가능하며 소거 오류로 전환되어 배경 파울리 오류가 수개월 정도 감소한다.
• χ ≈ 10 MHz일 경우 ZZ(θ) 상호작용의 게이트 시간은 약 ~100 ns로, 트랜몬 기반 이중 큐비트 게이트와 유사한 속도를 달성한다.
• 시스템은 유리한 오류 계층을 확보한다: 소거 오류가 지배적이며, 파울리 오류는 수개월 정도 작고, 유출 오류는 최소한이다.
• 이중 큐비트 간의 크로스-켈러 상호작용에 대해 강인하며, 동적 분리 또는 조절 가능한 커플러를 통해 상쇄할 수 있다.