[논문 리뷰] Erasure conversion in a high-fidelity Rydberg quantum simulator

Pascal Scholl, Adam L. Shaw외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 05.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 52인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 알칼리 earth 원자에 대한 단일 위치 해상도 영상 기반으로 라이드버그 양자 시뮬레이터에서 고정밀 벨 상태 생성과 실수 전환을 구현한다. 빠른 24 μs 영상으로 탈진 오류를 탐지하고 실수 오류가 있는 데이터를 제거함으로써, SPAM 보정 이후 벨 상태의 품질이 ≥0.9985에 도달하여 0.999 수준에 가까워지며, 양자 상전이 실험에서 향상된 시뮬레이션 품질을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Minimizing and understanding errors is critical for quantum science, both in noisy intermediate scale quantum (NISQ) devices and for the quest towards fault-tolerant quantum computation. Rydberg arrays have emerged as a prominent platform in this context with impressive system sizes and proposals suggesting how error-correction thresholds could be significantly improved by detecting leakage errors with single-atom resolution, a form of erasure error conversion. However, two-qubit entanglement fidelities in Rydberg atom arrays have lagged behind competitors and this type of erasure conversion is yet to be realized for matter-based qubits in general. Here we demonstrate both erasure conversion and high-fidelity Bell state generation using a Rydberg quantum simulator. We implement erasure conversion via fast imaging of alkaline-earth atoms, which leaves atoms in a metastable state unperturbed and yields additional information independent of the final qubit readout. When excising data with observed erasure errors, we achieve a lower-bound for the Bell state generation fidelity of ${\geq} 0.9971^{+10}_{-13}$, which improves to ${\geq}0.9985^{+7}_{-12}$ when correcting for remaining state preparation errors. We further demonstrate erasure conversion in a quantum simulation experiment for quasi-adiabatic preparation of long-range order across a quantum phase transition, where we explicitly differentiate erasure conversion of preparation and Rydberg decay errors. We unveil the otherwise hidden impact of these errors on the simulation outcome by evaluating correlations between erasures and the final readout as well as between erasures themselves. Our work demonstrates the capability for Rydberg-based entanglement to reach fidelities in the ${\sim} 0.999$ regime, with higher fidelities a question of technical improvements, and shows how erasure conversion can be utilized in NISQ devices.

연구 동기 및 목표

• 단일 원자 해상도를 활용한 물질 기반 양자 시뮬레이터에서 실수 전환을 구현하기 위해.
• 라이드버그 어레이 플랫폼에서 고정밀 이량자 얽힘을 달성하기 위해.
• 빠른 영상으로 탈진 오류를 탐지하고 제거하여 시뮬레이션 및 상태 준비의 품질을 향상시키기 위해.
• 실수 전환이 장거리 질서와 양자 상전이를 포함한 양자 시뮬레이션의 품질을 향상시킬 수 있음을 보여주기 위해.
• 포획된 원자 시스템에서 오류 탐지 및 수정을 가능하게 하여 고장 내성 양자 계산으로 향하는 확장 가능한 길을 마련하기 위해.

제안 방법

• 큐비트 부분공간과 별개의 측정 부분공간을 갖는 광학 트랩을 이용한 스트로네슘 원자를 기반으로 한 라이드버그 양자 시뮬레이터를 사용한다.
• 라이드버그 차단을 활용하여 라비 주파수 Ω와 상호작용 이동 V를 갖는 제어된 라비 진동을 통해 벨 상태를 생성하며, Ω/V ≪ 1 조건을 만족시킨다.
• 0.980의 정밀도로 ${}^{1}S_{0}$ 기저 상태에 있는 원자에 대해 24 μs 내의 단일 스타일 영상으로 탈진 오류를 탐지하고 실수 오류로 전환한다.
• 원자들이 실수 영상에서 탐지된 실험 런을 기각함으로써 알려진 오류 위치를 갖는 데이터를 제거하는 실수 제거를 구현한다.
• β 분포 기반의 공동 피팅 절차를 사용하여 실험적 불확실성을 모델링하고 π 및 2π 시간에서 $P_{\text{rr}}$, $P_{\text{gg}}$, $P_{\text{gr}}+P_{\text{rg}}$의 확률 분포를 추출한다.
• 실험적으로 측정된 오류 모델을 사용하여 SPAM(상태 준비 및 측정) 보정을 적용함으로써 품질 추정치를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 위치 해상도 탐측을 활용한 포획된 원자 양자 시뮬레이터에서 실수 전환이 실현 가능한가?
• RQ2 빠른 영상 기반 실수 제거와 라이드버그 차단 얽힘을 결합했을 때 달성 가능한 벨 상태 품질은 무엇인가?
• RQ3 실수 제거가 장거리 질서와 양자 상전이를 포함한 양자 시뮬레이션의 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 탐지 임계값 설정을 통해 실수 제거의 효과를 얼마나 제어할 수 있으며, 품질 향상과 데이터 손실 간의 균형을 어떻게 맞출 수 있는가?
• RQ5 제시된 기법이 장수명 큐비트를 갖는 고장 내성 양자 오류 수정으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 원시 데이터의 경우 벨 상태 품질이 ≥0.9971⁺¹⁰₋₁₃에 도달하고, SPAM 보정 이후 ≥0.9985⁺⁷₋₁₂로 향상되어 거의 이상적인 얽힘을 보여준다.
• 실수 제거로 탈진 오류의 영향이 감소하며, 시스템 크기에 비례하여 품질 향상이 발생한다. 이는 양자 상전이를 가로질러 준아디아바틱 스위프에서 확인되었다.
• 실수 제거로 얻는 품질 향상은 탐지 임계값에 의해 제어 가능하며, 최적의 임계값은 약 5 광자 수준이며, 이를 초과하면 임의의 양성 오류가 품질을 떨어뜨린다.
• 상태 준비 오차는 SPAM 보정을 통해 크게 감소하여 고정밀 상태 생성이 가능해졌다.
• 이 방법은 장거리 질서 준비와 같은 시뮬레이션 결과에 숨겨진 오류 영향을 탐지할 수 있게 하였다.
• 결과적으로, 라이드버그 기반 얽힘은 약 0.999 품질 수준에 도달할 수 있으며, 기술적 최적화를 통해 추가 향상이 가능하다.