[논문 리뷰] Hardware-Efficient, Fault-Tolerant Quantum Computation with Rydberg Atoms

Iris Cong, Harry Levine외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 라이드버그 상태 붕괴와 상관 오류를 다루어 라이드버그 원자 양자 컴퓨터를 위한 하드웨어 효율적이고 고故성 내성 있는 양자 계산 프로토콜을 제시한다. 특화된 오류 완화를 통해 라이드버그 상태 붕괴와 상관 오류를 해결하며, 각 논리 큐비트당 3개와 9개의 원자만을 사용하는 Ryd-3 및 스테인 기반 코드를 도입하여 일반 목적의 방법에 비해 자원 소모를 줄이고 1차 고故성 내성 가능성을 확보한다. 이는 확장 가능한 삼각형 및 정사각형 격자에서의 실현 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

Neutral atom arrays have recently emerged as a promising platform for quantum information processing. One important remaining roadblock for the large-scale application of these systems is the ability to perform error-corrected quantum operations. To entangle the qubits in these systems, atoms are typically excited to Rydberg states, which could decay or give rise to various correlated errors that cannot be addressed directly through traditional methods of fault-tolerant quantum computation. In this work, we provide the first complete characterization of these sources of error in a neutral-atom quantum computer and propose hardware-efficient, fault-tolerant quantum computation schemes that mitigate them. Notably, we develop a novel and distinctly efficient method to address the most important errors associated with the decay of atomic qubits to states outside of the computational subspace. These advances allow us to significantly reduce the resource cost for fault-tolerant quantum computation compared to existing, general-purpose schemes. Our protocols can be implemented in the near-term using state-of-the-art neutral atom platforms with qubits encoded in both alkali and alkaline-earth atoms.

연구 동기 및 목표

• 중성 원자 양자 컴퓨터에서 라이드버그 상태 붕괴와 상관 오류로 인해 발생하는 고故성 내성 양자 계산(FTQC)의 도전 과제를 해결하기 위해.
• 라이드버그 원자 시스템의 고유한 오류 모델에 맞춰 하드웨어 효율적인 FTQC 기법을 개발하여, 붕괴로 인한 유실과 고중량 상관 오류를 해결하기 위해.
• 일반 목적의 FTQC 프로토콜에 비해 상당히 감소된 자원 소모로 고故성 내성 양자 계산이 가능하다는 것을 입증하기 위해.
• 알칼리 및 알칼리 earth 원자를 사용하는 최신 중성 원자 플랫폼을 활용해 논리 큐비트의 근접한 시장 적용을 가능하게 하기 위해.
• 라이드버그 시스템에서 1차 고故성 양자 오류가 존재하지 않기 때문에 3원자 반복 코드가 1차 고故성 내성 가능성을 확보할 수 있다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 저자들은 라이드버그 상태 붕괴와 레이저 펄스의 완벽하지 못함으로 인해 발생하는 오류 모델을 분석하여, 유실과 상관 오류를 주요 과제로 규명한다.
• 장수명의 라이드버그 상태를 선택적 광학 펌핑을 위한 셸빙 상태로 활용하여, 유실 오류를 보완하는 새로운 방법을 제안한다.
• Ryd-3 프로토콜은 상태 선택적 펌핑을 통해 X- 및 Y-형 오류를 방지하는 고유성 유지 CNOT 게이트를 사용하는 3원자 반복 코드를 활용한다.
• 더 높은 고故성 내성 확보를 위해 7큐비트 스테인 코드를 9원자 레이아웃을 사용해 실현하며, 논리 연산을 물리적 라이드버그 게이트로 분해한다.
• 블록레이드 반경을 조절하여 모든 필수 얽힘 게이트, 특히 논리적 CCZ 게이트를 구현할 수 있도록 하는 격자 친화적인 레이아웃(삼각형 및 정사각형)을 설계한다.
• 게이트 품질과 논리적 게이트 실현을 보장하기 위해 정확한 블록레이드 반경 요구 조건(예: 정사각형 격자에서 $ R_{B,1} > \sqrt{10}d $)을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 상태 붕괴와 상관 오류의 높은 위험에도 불구하고, 라이드버그 원자 시스템에서 고故성 내성 양자 계산이 가능할 수 있는가?
• RQ2 라이드버그 원자 플랫폼에서 논리 큐비트를 고故성 내성적으로 인코딩하기 위해 필요한 최소 물리 큐비트 수는 얼마인가?
• RQ3 논리적 게이트 오버헤드를 증가시키지 않고도 라이드버그 붕괴로 인한 유실 오류를 효율적으로 수정할 수 있는가?
• RQ4 라이드버그 시스템에서 1차 고故성 X 오류가 존재하지 않기 때문에 3원자 반복 코드를 고故성 내성 양자 계산에 사용할 수 있는가?
• RQ5 어떤 격자 기하학적 형태와 블록레이드 반경 설정이 라이드버그 원자 어레이에서 보편적인 논리적 게이트의 확장 가능한 실현을 가능하게 하는가?

주요 결과

• Ryd-3 프로토콜은 라이드버그 시스템에서 1차 고故성 양자 오류가 존재하지 않기 때문에, 논리 큐비트당 물리적 원자 3개만으로도 1차 고故성 내성을 달성한다.
• 저자들은 9원자 레이아웃을 통해 스테인 코드를 인코딩하여, 논리적 허다드 및 토플리 게이트를 포함한 보편적인 고故성 내성 연산이 가능하다는 것을 입증한다.
• 일반 목적의 방법에 비해 고故성 내성 양자 계산을 위한 자원 비용이 상당히 감소하였으며, 더 적은 큐비트 수와 낮은 임계 오류 요구 조건을 확보하였다.
• 이 프로토콜은 삼각형 격자와 정사각형 격지 모두에서 실현 가능하며, 정사각형 격자는 더 높은 보조 큐비트 밀도 덕분에 논리적 토플리 회로에서 4개의 게이트를 줄일 수 있다.
• 모든 물리적 CCZ 게이트가 논리적 CCZ 연산에서 실현 가능하도록 보장하기 위해 정확한 블록레이드 반경 요구 조건(예: $ R_{B,1} > \sqrt{10}d $)을 도출하였다.
• 라이드버그 셸빙을 활용한 새로운 광학 펌핑 절차를 통해 $ m_F > 0 $ 및 $ m_F < 0 $ 상태를 상태 선택적으로 펌핑할 수 있었으며, 이는 고유성 유지 CNOT 게이트에서 X- 및 Y-형 오류를 최소화하였다.