[논문 리뷰] Protecting quantum entanglement from qubit errors and leakage via repetitive parity measurements

Cornelis Christiaan Bultink, Thomas E. O’Brien외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트에서 양자 얽힘을 보호하기 위해 반복적인 파리티 측정과 은닉 마르코프 모델을 사용하여 큐비트 오류와 레이크리지(유실)를 감지하고 수정하는 방법을 제안한다. 후선택 및 파울리-프레임 보정을 통해 26회의 파리티 측정 동안 벨 상태를 안정화시키며, 대규모 양자 프로세서에서 실시간 레이크리지 추적을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Protecting quantum information from errors is essential for large-scale quantum computation. Quantum error correction (QEC) encodes information in entangled states of many qubits, and performs parity measurements to identify errors without destroying the encoded information. However, traditional QEC cannot handle leakage from the qubit computational space. Leakage affects leading experimental platforms, based on trapped ions and superconducting circuits, which use effective qubits within many-level physical systems. We investigate how two-transmon entangled states evolve under repeated parity measurements, and demonstrate the use of hidden Markov models to detect leakage using only the record of parity measurement outcomes required for QEC. We show the stabilization of Bell states over up to 26 parity measurements by mitigating leakage using postselection, and correcting qubit errors using Pauli-frame transformations. Our leakage identification method is computationally efficient and thus compatible with real-time leakage tracking and correction in larger quantum processors.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트와 트랩된 이온에서 계산 부분공간으로부터의 레이크리지 문제를 다루어 양자 오류 수정의 기초를 뒤흔들지 않도록 한다.
• 양자 오류 수정에 필요로 하는 파리티 측정 결과만을 사용하여 레이크리지를 식별하는 계산적으로 효율적인 방법을 개발한다.
• 큐비트 오류와 레이크리지가 존재하는 상황에서도 반복적인 파리티 측정 사이클 동안 엉켜 있는 벨 상태를 안정화한다.
• 후선택 및 파울리-프레임 변환을 사용하여 대규모 양자 프로세서에서 실시간 레이크리지 추적 및 보정을 가능하게 한다.

제안 방법

• 두 트랜스몬 큐비트로 구성된 엉킨 시스템에서 반복적인 파리티 측정을 통해 오류 및 레이크리지 사건을 모니터링한다.
• 양자 오류 수정에 필요한 파리티 측정 기록에 은닉 마르코프 모델을 적용하여 추가 측정 오버헤드 없이 레이크리지 존재 여부를 추론한다.
• 레이크리지가 감지된 경우를 걸러내기 위해 후선택을 구현하여 논리 큐비트 상태를 유지한다.
• 파리티 측정 결과를 이용해 파울리-프레임 변환을 통해 큐비트 오류를 보정한다.
• 기존의 파리티 측정 기록을 활용하여 동시에 레이크리지 감지와 오류 수정을 수행한다.
• 확장 가능한 양자 아키텍처에서 실시간 처리에 적합한 프레임워크를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 오류 수정에 필수적인 파리티 측정 결과만을 사용하여 초전도 큐비트의 레이크리지를 감지할 수 있는가?
• RQ2 은닉 마르코프 모델이 두 트랜스몬 시스템의 파리티 측정 기록에서 레이크리지 사건을 얼마나 효과적으로 식별할 수 있는가?
• RQ3 후선택을 통해 레이크리지를 완화할 경우, 반복적인 파리티 측정 사이클 동안 벨 상태를 얼마나 오랫동안 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 레이크리지 감지와 파울리-프레임 오류 보정을 결합했을 때 논리 상태의 정밀도 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 제안된 방법은 대규모 양자 프로세서에서 실시간 구현에 충분히 계산적으로 효율적인가?

주요 결과

• 추가 측정 자원 없이도 파리티 측정 기록만을 사용하여 레이크리지를 성공적으로 감지하였다.
• 후선택과 파울리-프레임 보정을 조합하여 최대 26회의 연속된 파리티 측정 동안 벨 상태를 안정화시켰다.
• 은닉 마르코프 모델 접근법은 낮은 계산 오버헤드로 정확한 레이크리지 식별이 가능했다.
• 후선택과 파울리-프레임 변환의 조합은 엉킨 상태의 생존 시간을 크게 향상시켰다.
• 프레임워크는 계산적으로 효율적이며 확장 가능한 양자 프로세서에서 실시간 구현에 적합하다.
• 이 방법은 기존의 양자 오류 수정 프로토콜과 호환되며, 레이크리지 처리 능력을 확장한다.