[논문 리뷰] Overcoming leakage in scalable quantum error correction

Kevin C. Miao, Matt McEwen외 115명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 09.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 38인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 표면 코드와 비트 플립 코드의 각 사이클에서 모든 큐비트에서의 누출을 능동적으로 제거하여 초전도 큐비트 프로세서에서 누출을 스케일러블하게 억제하는 방법을 보여준다. 동적 누출 제거(DQLR)를 구현함으로써 저자들은 평균 누출 인구 수를 10⁻³ 이하로 낮추고 시간에 비국소적인 상관관계를 제거하여, 스케일링 가능한 고장내성 양자 오류정정에 필수적인 상관관계가 없는 오류 가정을 복원한다.

ABSTRACT

Leakage of quantum information out of computational states into higher energy states represents a major challenge in the pursuit of quantum error correction (QEC). In a QEC circuit, leakage builds over time and spreads through multi-qubit interactions. This leads to correlated errors that degrade the exponential suppression of logical error with scale, challenging the feasibility of QEC as a path towards fault-tolerant quantum computation. Here, we demonstrate the execution of a distance-3 surface code and distance-21 bit-flip code on a Sycamore quantum processor where leakage is removed from all qubits in each cycle. This shortens the lifetime of leakage and curtails its ability to spread and induce correlated errors. We report a ten-fold reduction in steady-state leakage population on the data qubits encoding the logical state and an average leakage population of less than $1 imes 10^{-3}$ throughout the entire device. The leakage removal process itself efficiently returns leakage population back to the computational basis, and adding it to a code circuit prevents leakage from inducing correlated error across cycles, restoring a fundamental assumption of QEC. With this demonstration that leakage can be contained, we resolve a key challenge for practical QEC at scale.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트에서의 오차 정정의 스케일링을 약화시키는 누출 유도 상관 오차를 해결하기 위해.
• 양자 오류정정 회로의 모든 큐비트에서 누출을 능동적으로 제거하여 그 확산과 축적을 방지하기 위해.
• 누출 제거가 시간과 공간에서 상관관계가 없는 오차의 기본 가정을 복원함을 검증하기 위해.
• 53큐비트 Sycamore 프로세서에서 안정 상태 누출 인구 수를 1×10⁻³ 이하로 유지하여 장기적인 QEC 안정성을 확보하기 위해.
• 동적 누출 제거(DQLR)가 비국소적 오차 상관관계를 억제함으로써 스케일러블한 고장내성 양자 계산에 필수적인 조건을 충족시키는지 보여주기 위해.

제안 방법

• 표면 코드 및 비트 플립 코드 회로의 각 사이클 이후 큐비트를 계산 하위공간으로 다시 설정하기 위해 능동적으로 측정하는 동적 누출 제거(DQLR) 프로토콜을 구현한다.
• 빠르고 고정밀도의 단일 큐비트 연산과 측정을 조합하여 고에너지 수준으로의 누출을 식별하고 이를 역전시킨다.
• 다중 큐비트 얽힘 게이트에 관여하는 데이터 큐비트와 어시스트 큐비트를 포함하여 표면 코드의 모든 데이터 큐비트와 어시스트 큐비트에 누출 제거를 적용한다.
• 성능 평가를 위해 거리-3 표면 코드와 거리-21 비트 플립 코드 회로에 DQLR를 통합한다.
• 오차 상관관계를 시간과 공간에서 측정하기 위해 탐지 확률 행렬을 사용하여 누출이 논리 오차율에 미치는 영향을 평가한다.
• 완전한 누출 억제가 비국소적 상관관계에 미치는 영향을 분리하기 위해 DQLR를 무복귀(No reset) 및 부분 누출 제거(MLR)와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 오류정정 회로의 모든 큐비트에서 능동적인 누출 제거가 누출 유도 상관 오차의 축적과 확산을 방지할 수 있는가?
• RQ2 동적 누출 제거가 비국소적 시간 오차 상관관계를 어느 정도 억제하는가? 이는 스케일러블한 QEC에 필수적인 조건이다.
• RQ3 누출 제거가 QEC에서 지수적 논리 오차 억제에 필수적인 상관관계가 없는 물리적 오차 가정을 복원하는가?
• RQ4 대규모 초전도 프로세서에서 모든 큐비트의 누출 제거를 통해 도달 가능한 안정 상태 누출 인구 수는 얼마인가?
• RQ5 논리 성능과 오차 상관관계 억제 측면에서 동적 누출 제거는 부분적 또는 누출 제거 없음과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 동적 누출 제거(DQLR)를 통해 모든 큐비트의 평균 누출 인구 수가 1×10⁻³ 이하로 억제되어 누출의 효과적인 제어가 가능함을 입증했다.
• DQLR 프로토콜에서 안정 상태 누출이 시간이 지남에 따라 증가하지 않았으며, 안정적이고 스케일러블한 누출 관리가 가능함을 나타냈다.
• 시간 비국소적 상관관계가 1을 초과하는 거리에서 0.2% 이하로 억제되어 이상적인 상관관계가 없는 오차 조건에 가까워졌다.
• DQLR 프로토콜은 부분 누출 제거(MLR) 대비 비국소적 시간 상관관계를 한 계단 이상 감소시켰으며, MLR는 여전히 거리-2에서 약 1%의 상관관계를 보였다.
• 거리-21 비트 플립 코드에서 누출 제거가 누출 유도 상관 오차를 방지함으로써 논리 성능을 크게 향상시켰다.
• DQLR 방법은 고장내성 양자 계산에 필수적인 상관관계가 없는 오차 가정을 효과적으로 복원하여 스케일링의 핵심 장벽을 해결했다.