[논문 리뷰] Entanglement and Quantum Error Correction with Superconducting Qubits

Matthew Reed|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 26.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 160인용 수 25

한 줄 요약

이 학위논문은 회로 양자전기역학(cQED) 구조에서 초전도 트랜스몬 큐비트를 사용하여 결정론적 얽힘 생성과 양자 오류 수정을 시현한다. 큇비트들을 공유하는 마이크로파 공진기를 통해 연결함으로써 저자들은 두 큐비트 제어-위상 게이트를 구현하여 벨 상태와 GHZ 상태를 생성하고, 세 큐비트 토플리 게이트를 사용하여 양자 반복 코드를 실현함으로써 비결함성으로 인한 비트-플립 및 위상-플립 오류를 자동으로 수정한다.

ABSTRACT

A quantum computer will use the properties of quantum physics to solve certain computational problems much faster than otherwise possible. One promising potential implementation is to use superconducting quantum bits in the circuit quantum electrodynamics (cQED) architecture. There, the low energy states of a nonlinear electronic oscillator are isolated and addressed as a qubit. These qubits are capacitively coupled to the modes of a microwave-frequency transmission line resonator which serves as a quantum communication bus. Microwave electrical pulses are applied to the resonator to manipulate or measure the qubit state. State control is calibrated using diagnostic sequences that expose systematic errors. Hybridization of the resonator with the qubit gives it a nonlinear response when driven strongly, useful for amplifying the measurement signal to enhance accuracy. Qubits coupled to the same bus may coherently interact with one another via the exchange of virtual photons. A two-qubit conditional phase gate mediated by this interaction can deterministically entangle its targets, and is used to generate two-qubit Bell states and three-qubit GHZ states. These three-qubit states are of particular interest because they redundantly encode quantum information. They are the basis of the quantum repetition code prototypical of more sophisticated schemes required for quantum computation. Using a three-qubit Toffoli gate, this code is demonstrated to autonomously correct either bit- or phase-flip errors. Despite observing the expected behavior, the overall fidelity is low because of decoherence. A superior implementation of cQED replaces the transmission-line resonator with a three-dimensional box mode, increasing lifetimes by an order of magnitude. In-situ qubit frequency control is enabled with control lines, which are used to fully characterize and control the system Hamiltonian.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트를 활용한 cQED 플랫폼에서 확장 가능한 양자 오류 수정 기술을 개발하고 시현한다.
• 공진기 매개 상호작용을 통해 결정론적 두 큐비트 및 세 큐비트 얽힘을 구현한다.
• 세 큐비트 토플리 게이트를 사용하여 양자 반복 코드를 실현하고 자동 오류 수정을 구현한다.
• 1D 전송선 공진기를 3D 상자 공진기로 교체하여 공명 시간을 향상시킨다.
• 현장 내에서 큐비트 주파수 조절을 가능하게 하여 정밀한 하미르토니안 제어와 시스템 특성 분석을 실현한다.

제안 방법

• cQED 아키텍처에서 공유된 마이크로파 전송선 공진기를 통해 가상의 광자 교환을 통해 큐비트를 얽힌다.
• 공진기에 캘리브레이션된 마이크로파 펄스를 적용하여 트랜스몬 큐비트의 단일 및 이중 큐비트 게이트를 수행한다.
• 공진기와 큐비트의 하이브리드화를 통해 측정 신호 증폭과 정밀도를 향상시킨다.
• 세 큐비트 토플리 게이트를 구현하여 3큐비트 GHZ 상태에 논리 큐비트를 인코딩함으로써 오류 수정을 실현한다.
• 1D 공진기를 3D 마이크로파 캐비티로 교체하여 큐비트의 공명 시간을 약 한 계급 증가시킨다.
• 현장 내 큐비트 주파수 조절을 위한 제어 라인을 통합하여 전체 하미르토니안 특성 분석을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 cQED 시스템에서 공진기 매개 상호작용을 통해 결정론적 두 큐비트 얽힘을 신뢰성 있게 생성할 수 있는가?
• RQ2 고정밀도로 준비된 세 큐비트 GHZ 상태가 양자 오류 수정의 기초로 활용될 수 있는가?
• RQ3 세 큐비트 토플리 게이트를 사용하여 양자 반복 코드를 실현하고 비트-플립 또는 위상-플립 오류를 자동으로 수정할 수 있는가?
• RQ4 1D 전송선 공진기를 3D 상자 공진기로 교체할 경우 큐비트의 공명성과 오류율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현장 내 큐비트 주파수 제어가 시스템 校정 향상과 정밀한 하미르토니안 설계를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 저자들은 공진기 매개 제어-위상 게이트를 사용하여 두 큐비트 벨 상태와 세 큐비트 GHZ 상태를 성공적으로 생성하였다.
• 세 큐비트 GHZ 상태는 토플리 게이트를 통해 비트-플립 및 위상-플립 오류를 자동으로 수정하는 데 논리 큐비트로 활용되었다.
• 오류 수정 행동이 올바르게 관찰되었음에도 불구하고, 비결함성으로 인한 낮은 전체 정밀도가 유지되었다.
• 1D 공진기를 3D 상자 공진기로 교체함으로써 큐비트의 공명 시간이 약 한 계급 증가하였다.
• 제어 라인을 통해 현장 내 큐비트 주파수 조절이 구현되었으며, 이는 전체 하미르토니안 특성 분석 및 조정을 가능하게 하였다.
• 양자 반복 코드의 구현은 원리적으로 검증되었지만, 실험적 노이즈와 비결함성으로 인해 제한되었다.