[논문 리뷰] Fast Flux-Activated Leakage Reduction for Superconducting Quantum Circuits

Nathan Lacroix, Luca Hofele외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 13.

Quantum Computing Algorithms and ArchitectureComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트를 위한 빠르고 자원 효율적이며 보편적인 누출 감소 유닛(LRU)을 제안한다. 이 LRU는 파라메트릭 플럭스 조절을 통해 첫 번째 유효하지 않은 상태를 읽기 공진기와 결합시킨다. LRU는 50 ns 이내에 누출을 $7\cdot 10^{-4}$로 억제하며, 정밀도는 $2.5(1)\cdot 10^{-3}$이다. 이는 단일 큐비트 게이트 수준과 유사한 성능으로, 추가 하드웨어나 제어 전자기기 없이도 확장 가능하고 오류 내성 있는 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum computers will require quantum error correction to reach the low error rates necessary for solving problems that surpass the capabilities of conventional computers. One of the dominant errors limiting the performance of quantum error correction codes across multiple technology platforms is leakage out of the computational subspace arising from the multi-level structure of qubit implementations. Here, we present a resource-efficient universal leakage reduction unit for superconducting qubits using parametric flux modulation. This operation removes leakage down to our measurement accuracy of $7\cdot 10^{-4}$ in approximately $50\, \mathrm{ns}$ with a low error of $2.5(1)\cdot 10^{-3}$ on the computational subspace, thereby reaching durations and fidelities comparable to those of single-qubit gates. We demonstrate that using the leakage reduction unit in repeated weight-two stabilizer measurements reduces the total number of detected errors in a scalable fashion to close to what can be achieved using leakage-rejection methods which do not scale. Our approach does neither require additional control electronics nor on-chip components and is applicable to both auxiliary and data qubits. These benefits make our method particularly attractive for mitigating leakage in large-scale quantum error correction circuits, a crucial requirement for the practical implementation of fault-tolerant quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 양자 오류 정정(QEC)에서 주요 오류 원인인 누출 오류를 해결하기 위해, 두 수준 가정을 위반하는 문제를 다루기 위해.
• 추가적인 칩 내 구성 요소나 제어 전자기기 없이도 데이터 큐비트와 보조 큐비트 양쪽에 모두 적용 가능한 보편적이고 빠르며 자원 효율적인 LRU를 개발하기 위해.
• 표준 단일 큐비트 게이트 수준의 속도와 정밀도로 누출 억제를 달성하여 대규모 QEC 회로에 통합 가능하게 하기 위해.
• 읽기 측정 신호에 의해 유도되는 상태에 의존하는 누출을 완화하기 위해, 이는 안정자 측정에서 잔류 누출을 제한한다.
• 성능을 저하시키지 않고 반복적인 안정자 측정에서 누출 억제의 확장성을 입증하기 위해.

제안 방법

• LRU는 큐비트의 첫 번째 누출 상태 $|f\rangle$와 그 읽기 공진기 사이의 직접 결합을 위해 일阶 파라메트릭 플럭스 조절을 사용한다.
• 이 결합은 피어스 필터링된 공진기와 피드라인 간의 강한 결합을 통해 이루어지며, 이는 소산 환경으로 작용하여 누출 상태의 빠른 붕괴를 가능하게 한다.
• 이 방법은 일阶 전이를 통해 작동하여 50 ns 미만의 작동 시간을 달성할 수 있으며, 이는 단일 큐비트 게이트의 지속 시간과 동일하다.
• 이 방법은 주파수 구성에 대해 강건하며, 특히 큐비트 주파수보다 읽기 공진기 주파수가 높은 경우에도 적용 가능하다. 이는 일반적인 아키텍처 선택이다.
• LRU는 데이터 큐비트와 보조 큐비트 양쪽에 보편적으로 적용되어 오류 정정 사이클에서 반복적으로 사용 가능하다.
• 이 방법은 보조 큐비트를 재설정하거나 복잡한 텔레포테이션 회로가 필요로 하는 것을 피하여 오버헤드를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 제어 하드웨어만을 사용하고 추가적인 칩 내 구성 요소 없이도 초전도 큐비트에서 빠르고 보편적인 LRU를 구현할 수 있는가?
• RQ2 파라메트릭 플럭스 조절이 단일 큐비트 게이트 수준의 정밀도와 지속 시간으로 누출 감소를 달성할 수 있는가?
• RQ3 LRU는 반복적인 안정자 측정에서 어떻게 성능을 발휘하며, 총 오류 수를 최적에 가까운 수준으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 안정자 측정에서 잔류 누출의 근본 원인은 무엇이며, 이는 상태에 의존하는 읽기 신호 유도 전이 때문인가?
• RQ5 읽기 공진기 주파수가 큐비트 주파수보다 높은 구성에서 LRU가 누출을 완화할 수 있는가? 이는 일반적인 설계 선택이다.

주요 결과

• LRU는 약 50 ns 내에 누출 상태의 비율을 $7\cdot 10^{-4}$로 감소시키며, 이는 측정 감도의 한계에 도달한다.
• 계산 하위공간에서 LRU 작동의 정밀도는 $2.5(1)\cdot 10^{-3}$로, 단일 큐비트 게이트 수준과 유사하다.
• 일阶 파라메트릭 플럭스 조절을 통해 고속 작동이 가능하여 고속 누출 억제를 달성한다.
• LRU는 데이터 큐비트와 보조 큐비트 양쪽에 대해 보편적이고 효과적이며, 오류 정정 사이클에서 반복 사용이 가능하다.
• 안정자 측정에서의 잔류 누출은 LRU 자체가 아니라, 읽기 신호에 의해 유도된 상태에 의존하는 두 큐비트 전이 때문이며 주로 발생한다.
• 잔류 누출의 주요 원인은 $|ge\rangle$에서 $|fg\rangle$로의 읽기 유도 전이이며, 장치 설계 주파수를 조정함으로써 회피할 수 있다.