[논문 리뷰] Fault tolerance in the IBM Q Experience

Robin Harper, Steven T. Flammia|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 06.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 [[4,2,2]] 오류 탐지 코드에 양자 정보를 인코딩함으로써 고장 내성 방식으로 게이트 허점도를 크게 향상시킨다는 것을 보여준다. 논리적 코드 공간에서 무작위 기준화를 구현함으로써 연구는 이중 큐비트 게이트 허점도를 10배 감소시켰다 — 물리적 큐비트의 5.8(2)%에서 논리적 큐비트의 0.60(3)%로 줄였다. 이는 논리적 큐비트가 게이트 성능을 향상시킬 수 있다는 경험적 증거를 제공하지만, 준비 및 측정 노이즈로 인해 전체적인 고장 내성은 달성되지 않았다.

ABSTRACT

Quantum computers will require encoding of quantum information to protect them from noise. Fault tolerant quantum computing architectures illustrate how this might be done, but have not yet shown a conclusive practical advantage. Here we demonstrate that a small but useful error detecting code improves the fidelity of the fault tolerant gates implemented in the code space as compared to the fidelity of physically equivalent gates implemented on physical qubits. By running a randomized benchmarking protocol in the logical code space of the [4,2,2] code, we observe an order of magnitude improvement in the infidelity of the gates, with the two-qubit infidelity dropping from 5.8(2)% to 0.60(3)%. Our results are consistent with fault tolerance theory and conclusively demonstrate the benefit of carrying out computation in a code space that can detect errors. Although the fault tolerant gates offer an impressive improvement in fidelity, the computation as a whole is not below the fault tolerance threshold because of noise associated with state preparation and measurement on this device.

연구 동기 및 목표

• 물리적 큐비트와 비교해 논리적 코드 공간에 양자 정보를 인코딩함으로써 게이트 허점도가 향상되는지 평가하는 것.
• 실제 양자 장치에서 작은 오류 탐지 코드를 사용해 고장 내성의 실용적 가능성을 시험하는 것.
• 시스템이 고장 내성 임계값에 도달하지 못하게 하는 제한 요인 노이즈 원인을 특정하는 것.
• IBM Q 경험에서 실세계 구현을 통해 고장 내성 이론을 경험적으로 검증하는 것.

제안 방법

• [[4,2,2]] 양자 오류 탐지 코드의 논리적 코드 공간 내에서 무작위 기준화 프로토콜을 구현하는 것.
• 물리적 큐비트와 [[4,2,2]] 코드에 인코딩된 논리적 큐비트 간의 게이트 허점도를 비교하는 것.
• 고장 내성 게이트를 실행하고 측정하기 위해 소규모 양자 프로세서(IBM Q 경험)를 사용하는 것.
• 무작위 기준화 시퀀스의 통계적 분석을 통해 게이트 허점도를 정량화하는 것.
• 상태 준비 및 측정에서 기인하는 노이즈 기여도를 별도로 특성화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 논리적 코드 공간에 큐비트를 인코딩하면 물리적 큐비트와 비교해 게이트 허점도가 향상되는가?
• RQ2 [[4,2,2]] 코드는 실제 양자 장치에서 게이트 허점도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 관측된 향상은 오류 탐지 코드의 고장 내성 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ4 시스템이 고장 내성에 도달하지 못하게 하는 주요 노이즈 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 논리적 코드 공간에서의 이중 큐비트 게이트 허점도는 0.60(3)%로 감소하여 물리적 큐비트 허점도 5.8(2)% 대비 10배 향상되었다.
• 관측된 게이트 허점도 향상은 오류 탐지 코드에서 고장 내성의 이론적 기대와 일치한다.
• 게이트 허점도 향상이 상당히 크지만, 상태 준비 및 측정 노이즈로 인해 전체 계산은 여전히 고장 내성 임계값을 초과한다.
• 결과는 논리적 큐비트가 게이트 성능을 향상시킬 수 있으며, 고장 내성 양자 컴퓨팅의 핵심 원리를 경험적으로 검증한다.