[논문 리뷰] Saving superconducting quantum processors from qubit decay and correlated errors generated by gamma and cosmic rays

John M. Martinis|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 우주선과 감마선으로 인한 qubit 붕괴 및 상관 오류를 완화하기 위해 초전도 양자 프로세서의 재설계를 제안한다. 방사선 유도 영향을 두꺼운 일반 금속 필름과 준입자 트랩을 통해 전도시켜, 준입자 밀도를 100배 감소시켜 qubit의 얽힘 수명을 마이크로초 수준에서 16 마이크로초 이상으로 연장하고, 효과적인 양자 오류 수정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Error-corrected quantum computers can only work if errors are small and uncorrelated. Here I show how cosmic rays or stray background radiation affects superconducting qubits by modeling the phonon to electron/quasiparticle down-conversion physics. For present designs, the model predicts about 57\% of the radiation energy breaks Cooper pairs into quasiparticles, which then vigorously suppress the qubit energy relaxation time ($T_1 \sim$ 160 ns) over a large area (cm) and for a long time (ms). Such large and correlated decay kills error correction. Using this quantitative model, I show how this energy can be channeled away from the qubit so that this error mechanism can be reduced by many orders of magnitude. I also comment on how this affects other solid-state qubits.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서에서 방사선 유도 qubit 붕괴 및 상관 오류라는 중요한 문제를 해결한다.
• 우주선과 배경 감마선이 양자 오류 수정을 파괴할 수 있는 큰 상관 오류의 주요 원인임을 규명한다.
• 방사선이 초전도 큐비트에서 준입자 생성, 확산, 재결합에 미치는 영향을 정량화한다.
• 음향파 에너지를 큐비트에서 멀리 빼내는 칩 수준의 재설계 전략을 제안하여 준입자 밀도를 최소화하고 얽힘 수명을 연장한다.
• 시간과 공간에서의 오류 상관관계를 억제함으로써 확장 가능한 고장 내성 양자 계산을 가능하게 한다.

제안 방법

• 비평형 통계역학을 사용하여 초전도 큐비트에서 음향파-준입자 전환 과정을 모델링한다.
• 다섯 단계로 방사선 사건을 시뮬레이션한다: 화염공 모양 형성, 음향파 동결, 준입자 확산, 재결합, 음향파 탈출.
• 두꺼운 일반 금속 필름과 준입자 트랩을 구현하여 에너지를 큐비트에서 빼내고 준입자 밀도를 억제한다.
• 준입자 에너지 분포와 붕괴 속도의 정량적 추정치를 사용하여 방사선 노출 조건에서 큐비트 수명(T₁)을 예측한다.
• 시간, 크기, T₁ 척도 지표를 사용하여 기존 및 재설계된 칩 아키텍처를 비교하여 성능 향상을 입증한다.
• 표면 코드 오류 수정 모델과 통합하여 오류가 여전히 상관없이 수정 가능함을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선과 감마선은 초전도 프로세서에서 큐비트 얽힘 수명을 악화시키는 큰 상관 준입자 폭발을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 방사선 유도 음향파가 큐비트의 붕괴 시간(T₁)과 오류의 시간적/공간적 상관관계에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ3 방사선 차폐에 의존하지 않고 칩 수준의 에너지 유도를 통해 준입자 밀도를 수십 배 이상 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 두꺼운 일반 금속 필름과 준입자 트랩은 초전도 회로에서 음향파 및 준입자 운반의 역학을 어떻게 변화시키는가?
• RQ5 고에너지 방사선 사건 동안 이 재설계가 표면 코드 오류 수정의 효과성을 어느 정도 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 우주선과 감마선은 각각 약 460 keV와 약 1 MeV의 에너지를 투과하며, 이는 >90%의 효율로 음향파로 변환된다.
• 음향파 에너지의 57%가 코플러 쌍을 파괴하여 준입자를 생성하며, 이로 인해 현재 설계에서는 큐비트 T₁가 최소 0.16 μs까지 감소한다.
• 준입자는 mm에서 cm 수준의 스케일로 확산되며 100 μs에서 10 ms 동안 지속되어 대규모 상관 오류를 유도하고 오류 수정을 방해한다.
• 두꺼운 일반 금속 필름을 사용한 제안된 재설계로 기존 설계 대비 초기 준입자 밀도가 100배 감소한다.
• 향상된 설계에서는 큐비트 T₁가 >16 μs로 회복되어 기본 수준에 가까워지며 효과적인 오류 수정이 가능해진다.
• 재설계된 칩에서 음향파 탈출 및 에너지 유도로 인해 이중 상태의 효과 온도가 낮아져 얽힘 붕괴를 추가로 억제한다.