[논문 리뷰] Scalable in-situ qubit calibration during repetitive error detection

J. Kelly, R. Barends외 20명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 09.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 양자 프로세서에서 반복적인 오류 검출 중에 큐비트 제어 파라미터를 최적화하기 위한 확장 가능하고 실시간 기반의 방법인 Active Detection Event Parameter Tuning (ADEPT)을 소개한다. 오류 검출 결과를 피드백으로 사용함으로써 ADEPT는 계산을 중단하지 않고도 단일 및 이중 큐비트 게이트의 실시간 캘리브레이션을 가능하게 하며, 모든 큐비트에서 독립적인 주파수 이격을 보상한다. 이는 대규모 고신뢰성 양자 계산을 위한 O(1) 확장 가능성을 달성한다.

ABSTRACT

We present a method to optimize qubit control parameters during error detection which is compatible with large-scale qubit arrays. We demonstrate our method to optimize single or two-qubit gates in parallel on a nine-qubit system. Additionally, we show how parameter drift can be compensated for during computation by inserting a frequency drift and using our method to remove it. We remove both drift on a single qubit and independent drifts on all qubits simultaneously. We believe this method will be useful in keeping error rates low on all physical qubits throughout the course of a computation. Our method is O(1) scalable to systems of arbitrary size, providing a path towards controlling the large numbers of qubits needed for a fault-tolerant quantum computer

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 프로세서에서 지속적인 오류 검출 중에 큐비트 제어 파라미터의 확장 가능한 실시간 캘리브레이션 방법을 개발하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 제어 파라미터와 물리적 큐비트의 파라미터 이격으로 인해 게이트 정밀도가 시간이 지남에 따라 떨어지는 문제를 해결하는 것.
• 오류 검출을 중단하거나 큐비트 상태의 토모그래피 또는 무작위 기준 측정을 요구하지 않고도 실시간 최적화를 가능하게 하는 것.
• 오류 검출 결과를 피드백으로 사용하여 임의의 큐비트 어레이에서 캘리브레이션의 O(1) 확장 가능성을 입증하는 것.
• 실시간으로 이격을 동적으로 보상함으로써 장기간의 계산 동안 낮은 오류율을 유지하는 것.

제안 방법

• ADEPT는 오류 검출 결과—특히 비트 플립 오류 등의 검출 사건 빈도—를 피드백 지표로 사용하여 제어 파라미터를 최적화한다.
• 큐비트를 고정된 크기의 그룹(예: 반복 코드에서의 데이터 큐비트와 측정 큐비트)으로 분할하여 각 그룹 내에서 게이트 파라미터를 독립적으로 캘리브레이션할 수 있도록 한다.
• 관측된 각 그룹의 검출 결과에서의 오류율에 기반하여 라비 주파수, 떨어짐, 게이트 각도 등의 제어 파라미터를 조정한다.
• 하드웨어 패턴 인터리빙 전략을 사용하여 다양한 큐비트 그룹화를 순환함으로써 겹침이나 간섭 없이 모든 큐비트를 동시에 캘리브레이션할 수 있도록 한다.
• 주파수 추적 알고리즘을 ADEPT와 결합하여 각 큐비트에서 독립적인 주파수 이격을 실시간으로 추적하고 보정한다.
• 표면 코드의 반복 코드를 사용한 아홉 큐비트 초전도 프로세서에 이 기법을 구현하였으며, 활성 오류 검출 중에 캘리브레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계산을 중단하지 않고도 활성 오류 검출 중에 큐비트 제어 파라미터를 실시간으로 최적화할 수 있는가?
• RQ2 ADEPT는 큐비트 어레이 크기가 임의로 증가하더라도 큐비트당 계산 오버헤드가 O(1)을 유지하면서 확장 가능한가?
• RQ3 계산 중에 각 큐비트에서 독립적인 주파수 이격을 동시에 추적하고 보정할 수 있는가?
• RQ4 검출 사건 빈도를 피드백 지표로 사용하면 장기간에 걸쳐 안정적이고 낮은 오류 작동이 가능할까?
• RQ5 ADEPT는 반복 코드 이외의 다양한 양자 오류 수정 코드에 적용 가능한가?

주요 결과

• ADEPT는 활성 오류 검출 중에 아홉 큐비트 초전도 프로세서에서 단일 및 이중 큐비트 게이트 파라미터를 동시에 최적화하였다.
• 4800만 회의 검출 라운드 동안 아홉 큐비트 각각의 주파수 이격을 ±10 MHz 범위에서 보정하였으며, 이는 약 42초의 실시간 운영에 해당한다.
• 모든 측정 큐비트가 안정화된 오류율 지표(ζ)를 유지함으로써 성공적으로 보정 및 안정화가 이루어졌고, 무작위화 한계 이하로 유지되었다.
• 실험 전반에 걸쳐 오류율 지표 ζ가 안정적으로 유지되어 이격이 실시간으로 효과적으로 추적되고 수정되었음을 입증하였다.
• 시스템 크기에 비례하지 않는 O(1) 확장 가능성을 달성하여, 큐비트당 오버헤드를 증가시키지 않고 모든 큐비트의 캘리브레이션을 가능하게 하였다.
• ADEPT는 큐비트가 논리 임계값 이하로 작동할 필요가 없으며, 그룹 크기가 유한하고 큐비트당 고정된 그룹 참여 수를 갖는 모든 오류 수정 코드에 적용 가능하다.