[논문 리뷰] Fault-tolerant quantum computation with a neutral atom processor

Ben W. Reichardt, Adam Paetznick외 70명|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 18.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

인코딩된 논리 큐비트를 사용하는 프로그래머블 중성 원자 프로세서에서 내결함성 양자 계산을 시연하며, 24-쿼비트 인코딩 카트 상태와 최대 28개의 논리 큐비트를 가진 Bernstein-Vazirani 알고리즘을 포함한다.

ABSTRACT

Quantum computing experiments are transitioning from running on physical qubits to using encoded, logical qubits. Fault-tolerant computation can identify and correct errors, and has the potential to enable the dramatically reduced logical error rates required for valuable algorithms. However, it requires flexible control of high-fidelity operations performed on large numbers of qubits. We demonstrate fault-tolerant quantum computation on a quantum processor with 256 qubits, each an individual neutral Ytterbium atom. The operations are designed so that key error sources convert to atom loss, which can be detected by imaging. Full connectivity is enabled by atom movement. We demonstrate the entanglement of 24 logical qubits encoded into 48 atoms, at once catching errors and correcting for, on average 1.8, lost atoms. We also implement the Bernstein-Vazirani algorithm with up to 28 logical qubits encoded into 112 atoms, showing better-than-physical error rates. In both cases, "erasure conversion," changing errors into a form that can be detected independently from qubit state, improves circuit performance. These results begin to clear a path for achieving scientific quantum advantage with a programmable neutral atom quantum processor.

연구 동기 및 목표

• 오류 수정에 의한 양자 컴퓨테이션의 내결함성 동기를 부여하기 위해 큐비트를 논리 큐비트로 인코딩한다.
• 재구성 가능한 연결성과 높은 게이트 적합도를 갖춘 중성 원자 플랫폼을 보여주고, 논리적 연산 및 오류/손실 보정을 달성한다.
• 물리 큐비트의 성능을 넘어서는 얽힘 및 논리적 계산을 거리-2 코드와 거리-3 코드로 시연한다.
• 인코딩된 아키텍처 내 손실 탐지, 에러 탐지, 내결함성 게이트 구현을 평가한다.

제안 방법

• 재구성 가능한 트위저 아키텍처에서 최대 256 171Yb 큐비트를 활용하는 중성 원자 프로세서를 이용하여 모든 큐비트 연결성을 가능하게 한다(원자 이동에 의해 실현).
• 거리-2 4,2,2 코드와 거리-3 9,1,3 Bacon-Shor 코드를 이용해 논리 큐비트를 인코딩하여 손실 탐지/탐지-손실을 수행하고 내결함성 연산을 수행한다.
• 논리 연산을 트랜스버설하게 구현(CNOT, CZ, Hadamard 등)하고 내결함성 상태 준비를 위해 인코딩된 보조 큐비트를 사용한다.
• 인코딩된 회로에 대해 Gottesman의 내결함성 프로토콜에 guided된 반복적인 손실 보정과 에러 보정을 수행한다.
• 최대 28 개의 논리 큐비트(112 물리 큐비트)에 걸친 인코딩된 카트 상태와 Bernstein-Vazirani 알고리즘을 통해 논리적 계산을 벤치마킹한다.
• CZ 게이트 에러를 분리하기 위한 난수 벤치마킹 및 interleaved RB를 사용하여 단일 큐비트 및 2-큐비트 게이트 성능을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거리-2 및 거리-3 코드로 인코딩된 논리 큐비트를 프로그래머블한 중성 원자 프로세서에서 내결함성으로 준비하고 얽히며 조작할 수 있는가?
• RQ2 손실 오류 및 기타 오류가 인코딩된 계산에 어떤 영향을 미치며 반복적인 손실/오류 보정이 논리적 성능을 개선할 수 있는가?
• RQ3 인코딩된 카트 상태 및 Bernstein-Vazirani와 같은 벤치마크의 인코딩 구현이 중성 원자 하드웨어의 비인코딩 물리 큐비트 기반 관측치와 비교해 어떤 차이가 있는가?
• RQ4 다중 큐비트 연산에서 실제 게이트 충실도와 손실율은 어느 정도이며 이것이 내결함성 계산에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 4,2,2를 사용해 인코딩된 24개의 논리 큐비트로 24-큐비트 카트 상태에서 얽힘을 달성했고, 중성 원자 하드웨어에서 보고된 가장 큰 인코딩 카트 상태다.
• 최대 28개의 논리 큐비트(4,1,2로 인코딩)에 해당하는 112개의 물리 큐비트를 이용한 Bernstein-Vazirani를 구현하여 물리 큐비트 기반보다 더 나은-than-물리적 오차율을 보였다.
• Gottesman(2016)을 따른 거리에-2 인코딩 회로에 대한 반복 손실 보정으로 내결함성 계산을 시연했다.
• 거리-3 Bacon-Shor 코드를 사용한 반복적 손실 및 에러 보정으로 손실과 일반적 오류를 모두 다루었다.
• 두 큐비트 게이트 벤치마킹에서 CZ 인피델리티가 프로토콜과 이동에 따라 약 0.4–0.56%였으며 손실/누출이 정량적으로 보고됐다.
• 중성 원자 플랫폼은 원자 이동을 통한 임의 연결성과 단일 큐비트 충실도(클리포드 게이트당 약 99.85%)를 가능하게 하며 확장 가능한 논리 연산을 가능하게 한다.