[논문 리뷰] Overcoming correlated noise in quantum systems: How mediocre clocks make good qubits

P. O’Malley, J. Kelly외 21명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 10.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트에서 상관된 노이즈를 활용함으로써, 열악한 성능을 보이는 노이즈가 많은 시계조차도 큐비트의 얽힘을 안정화하는 데 사용할 수 있음을 보여준다. 이는 노이즈를 자원으로 전환하는 것으로, 시간에 따른 상관성을 이용해 디코herence를 억제함으로써 추가 제어 하드웨어 없이도 큐비트의 얽힘 수명을 3.5배 향상시킨다.

ABSTRACT

P. J. J. O’Malley,1, ∗ J. Kelly,1, ∗ R. Barends,1, ∗ B. Campbell,1 Y. Chen,1 Z. Chen,1 B. Chiaro,1 A. Dunsworth,1 A. G. Fowler,1, 2 I.-C. Hoi,1 E. Jeffrey,1 A. Megrant,1, 3 J. Mutus,1 C. Neill,1 C. Quintana,1 P. Roushan,1 D. Sank,1 A. Vainsencher,1 J. Wenner,1 T. C. White,1 A. N. Korotkov,4 A. N. Cleland,1 and John M. Martinis1 Department of Physics, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA Centre for Quantum Computation and Communication Technology, School of Physics, The University of Melbourne, Victoria 3010, Australia Department of Materials, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Riverside, CA 92521, USA

연구 동기 및 목표

• 환경 노이즈로 인한 초전도 큐비트의 디코herence 문제를 해결하기 위해.
• 제어 시계에서의 상관된 노이즈가 제거되는 것이 아니라 활용될 수 있는지 조사하기 위해.
• 고정밀도 시계가 필요하지 않은 노이즈에 강건한 큐비트 안정화 기법을 개발하기 위해.
• 상대적으로 열악한 성능을 가진 시계이지만 상관된 노이즈를 가진 경우에도 장수명 큐비트 얽힘이 유지될 수 있는지 보여주기 위해.
• 伝통적인 큐비트 오류 보정 기법에 비해 확장 가능하고 하드웨어 효율적인 대안을 제공하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 상관된 노이즈를 가진 제어 온도기와 결합된 초전도 트랜스몬 큐비트를 사용하여, 노이즈를 비마르코프 과정으로 모델링한다.
• 상관된 노이즈의 스펙트럼 특성에 맞추어 조정된 동적 분할 시퀀스를 적용하여 디코herence를 억제한다.
• 이 방법은 시계의 상관된 노이즈가 큐비트의 진화에서 건설적 간섭을 유도함으로써 효과적인 디코herence 속도를 감소시킨다는 사실에 기반한다.
• 이론적 분석은 시간에 비국소적인 노이즈 커널을 가진 마스터 방정식을 사용하여 상관된 노이즈가 큐비트 동역학에 미치는 영향을 모델링한다.
• UC 샌타바바라에서 수행된 초전도 양자 프로세서를 이용한 실험적 검증을 통해 다양한 시계 노이즈 조건 하에서 큐비트의 얽힘을 측정한다.
• 얽힘 수명은 노이즈 상관 시간의 함수로 측정되며, 이상적인 시계 기준과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어 시계의 상관된 노이즈를 손상 요인으로 보다는 향상 요소로 활용할 수 있는가?
• RQ2 시간적 상관성이 있는 낮은 정밀도의 노이즈가 있는 시계를 사용할 경우 큐비트의 얽힘이 어느 정도 유지될 수 있는가?
• RQ3 시계의 노이즈 상관 구조가 큐비트의 효과적 디코herence 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 상관된 노이즈에 최적화된 동적 분할 시퀀스가 기존 표준 시퀀스를 능가할 수 있는가?
• RQ5 고정밀 제어 온도기 없이도 장수명 큐비트 얽힘 수명을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제어 시계의 상관된 노이즈는 유사한 진폭을 가진 비상관 노이즈보다 큐비트 얽힘 수명을 3.5배 향상시킨다.
• 향상은 상관된 노이즈 하에서 큐비트 진화의 건설적 간섭으로 인해 효과적 디코herence 속도가 감소함으로써 발생한다.
• 매우 큰 위상 노이즈를 가진 시계를 사용했음에도 불구하고, 이상적인 노이즈 없는 시계에서 얻는 얽힘 수명과 유사한 결과를 달성한다.
• 이 향상 효과는 다양한 노이즈 상관 시간 범위에서 견고하게 유지되며, 넓은 적용 가능성을 시사한다.
• 추가 제어 하드웨어가 필요하지 않아 대규모 양자 프로세서에 대해 확장 가능하다.
• 비마르코프 마스터 방정식을 사용한 이론적 모델링은 관측된 얽힘 향상 현상을 정확하게 예측한다.