[논문 리뷰] Experimental demonstration of quantum fault tolerance

Norbert M. Linke, Marco Gutiérrez외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 21.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 네 개의 포획된 원자 이온을 사용하여 고장 내성적인 논리 큐비트를 실험적으로 처음으로 실현한다. 큐비트 정보를 여러 개의 물리 큐비트에 분산하여 오류로부터 보호한다. 심호흡 측정을 통한 오류 탐지 프로토콜을 구현함으로써, 인코딩 연산의 불완전성과 높은 오류율에도 불구하고 논리 상태의 무결성이 유지되며, 실제 실험 조건에서의 강건성을 입증한다.

ABSTRACT

Quantum computers will eventually reach a size at which quantum error correction becomes imperative. Quantum information can be protected from qubit imperfections and flawed control operations by encoding a single logical qubit in multiple physical qubits. This redundancy allows the extraction of error syndromes and the subsequent detection or correction of errors without destroying the logical state itself through direct measurement. Here we show the encoding and syndrome measurement of a fault-tolerant logical qubit via an error detection protocol on four physical qubits, represented by trapped atomic ions. This demonstrates for the first time the robustness of a fault-tolerant qubit to imperfections in the very operations used to encode it. The advantage persists in the face of large added error rates and experimental calibration errors.

연구 동기 및 목표

• 구현에 사용된 연산의 불완전성에도 불구하고 실제 양자 시스템에서 양자 오류 정정이 고장 내성적으로 수행될 수 있음을 입증하는 것.
• 기초가 되는 연산이 노이즈가 있거나 불완전한 경우에도 인코딩 및 심호흡 측정 프로토콜이 논리 큐비트의 위상 일관성을 유지할 수 있음을 검증하는 것.
• 실제 양자 컴퓨팅 환경의 제약을 시뮬레이션하기 위해 높은 오류율과 실험 캘리브레이션 오류 하에서 논리 큐비트의 내성성을 시험하는 것.
• 물리 큐비트의 부가성 덕분에 논리 상태가 붕괴되지 않은 채 오류를 탐지하고 수정할 수 있음을 실험적으로 입증하는 것.

제안 방법

• 포획된 원자 이온을 사용해 단일 논리 큐비트를 네 개의 물리 큐비트에 분산하여 양자 정보를 분산하고 오류 탐지를 가능하게 한다.
• 논리 상태를 직접 측정하지 않고 오류 심호흡을 추출하는 양자 오류 탐지 프로토콜을 구현하여 중첩 상태를 유지한다.
• 인코딩된 논리 큐비트의 심호흡 측정을 수행하기 위해 제어된 양자 연산을 사용하여 물리 큐비트의 오류를 식별한다.
• 실제 조건에서의 내성성을 시험하기 위해 인코딩 과정 중에 의도적인 불완전성과 높은 오류율을 도입한다.
• 실험 오류를 포함하도록 시스템을 캘리브레이션하고, 이러한 비이상적인 조건 하에서 논리 큐비트의 성능을 관찰한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 양자 시스템에서 고장 내성 프로토콜을 사용해 논리 큐비트를 인코딩하고 오류를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 논리 큐비트를 인코딩하는 데 사용된 연산이 불완전하거나 노이즈가 있을 경우 논리 큐비트는 여전히 강건한가?
• RQ3 실험적 양자 컴퓨팅에서 흔히 발생하는 높은 오류율과 캘리브레이션 부정확성 하에서 시스템의 성능은 어떠한가?
• RQ4 논리 상태를 측정하지 않고도 오류 심호흡을 측정할 수 있으며, 이로 인해 양자 위상 일관성이 유지되는가?

주요 결과

• 인코딩 연산의 상당한 불완전성에도 불구하고 논리 큐비트는 위상 일관성과 오류 탐지 능력을 유지하였다.
• 높은 오류율과 캘리브레이션 오류에 대한 강건성을 입증하여 실질적인 고장 내성성을 확인하였다.
• 논리 상태를 직접 측정하지 않고도 오류 심호흡을 성공적으로 추출하여 양자 중첩 상태를 유지하였다.
• 실험적으로 물리 큐비트의 부가성이 인코딩 중 발생하는 오류에 효과적으로 대응할 수 있음을 입증하였다.