[논문 리뷰] Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit

Rajeev Acharya, I. L. Aleǐner외 155명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 60

한 줄 요약

이 논문은 거리-5 표면 코드를 72-쿼비트 초전도 소자에서 구현하여 평균 거리-3 코드와 비교해 성능이 소폭 우수함을 실험적으로 보여주고, 오차 원인과 디코딩을 특성화하여 알고리즘적 로지컬 에러율로의 확장을 위한 로드맵을 제시한다.

ABSTRACT

Practical quantum computing will require error rates that are well below what is achievable with physical qubits. Quantum error correction offers a path to algorithmically-relevant error rates by encoding logical qubits within many physical qubits, where increasing the number of physical qubits enhances protection against physical errors. However, introducing more qubits also increases the number of error sources, so the density of errors must be sufficiently low in order for logical performance to improve with increasing code size. Here, we report the measurement of logical qubit performance scaling across multiple code sizes, and demonstrate that our system of superconducting qubits has sufficient performance to overcome the additional errors from increasing qubit number. We find our distance-5 surface code logical qubit modestly outperforms an ensemble of distance-3 logical qubits on average, both in terms of logical error probability over 25 cycles and logical error per cycle ($2.914\%\pm 0.016\%$ compared to $3.028\%\pm 0.023\%$). To investigate damaging, low-probability error sources, we run a distance-25 repetition code and observe a $1.7 imes10^{-6}$ logical error per round floor set by a single high-energy event ($1.6 imes10^{-7}$ when excluding this event). We are able to accurately model our experiment, and from this model we can extract error budgets that highlight the biggest challenges for future systems. These results mark the first experimental demonstration where quantum error correction begins to improve performance with increasing qubit number, illuminating the path to reaching the logical error rates required for computation.

연구 동기 및 목표

• 실제 노이즈가 한정된 장치에서 표면 코드 거리 증가가 로지컬 에러를 감소시키는지 동기 부여하고 검증한다.
• 72-쿼비트 초전도 소자에서 거리-5 표면 코드를 구현하고 평균 거리-3 서브코드와 비교한다.
• 확산과 시뮬레이션을 통해 물리적 오차 분포를 detectors, correlations, and simulations로 특성화하여 확장에 대한 오차 예산을 구성한다.
• 다중 에러-수정 사이클에 걸친 로지컬 에러 확률을 평가하는 디코딩 방법을 검토하고 수치화한다.

제안 방법

• 72-쿼비트 디바이스 내에서 49-쿼비트 부분집합(25 데이터 큐비트, 24 측정 큐비트)으로 거리-5 표면 코드를 구현한다.
• CZ 및 Hadamard 시퀀싱과 Idle 구간 동안 dynamical decoupling을 포함하여 X 및 Z 안정자 측정을 동시 수행한다.
• Pauli 기반 시뮬레이션과 향상된 Pauli+ 모델을 사용하여 실험적 탐지-사건 확률과 비교한다.
• belief-matching 및 tensor-network 디코더를 적용하여 가능한 오차 구성과 로지컬 에러를 추정한다.
• 로지컬 피델리티를 측정하고 3–25 사이의 사이클에서 로지컬 에러의 지수적 감소를 피팅한다.
• 탐지-사건 상관관계를 분석하여 지배적 오차 메커니즘과 누설(leakage) 효과를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코드 거리를 3에서 5로 증가시키는 것이 실제 초전도 큐비트 장치에서 로지컬 에러율을 감소시키는가?
• RQ2 코드 크기가 커지면서 로지컬 에러 억제를 제한하는 지배적인 물리적 오오차원은 무엇인가?
• RQ3 디코더(belief-matching 및 tensor-network)가 탐지기 데이터로부터 오류를 정확히 추정하여 로지컬 결과를 예측할 수 있는가?
• RQ4 누설 및 이상 상호작용이 확장에 어떤 영향을 주며 이를 완화하여 확장 동작을 개선할 수 있는가?
• RQ5 오류 예산은 알고리즘적으로 관련된 로지컬 에러율에 이르는 경로에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 거리-5 코드가 25사이클에서 로지컬 에러 확률 pL을 거리-3 코드의 평균보다 낮게 보인다(pL 기반 지표: 2.914% ±0.016% vs 3.028% ±0.023%).
• 로지컬 피델리티는 사이클 수에 따라 대략 지수적으로 감소하며, 사이클당 ε5는 2.914%이고 사이클당 ε3의 평균은 3.028%이다(대체 디코더의 경우 ε5≈3.056% 및 ε3≈3.118%).
• 반복 부호의 25거리에서 포스트-셀렉션 없이 로지컬 에러per round은 1.7×10^-6이고, 하나의 고에너지 이벤트를 제거한 후에는 1.6×10^-7이다.
• Pauli+ 시뮬레이션이 Pauli만으로 더 잘 탐지 상관관계를 포착하여 누설(leakage) 및 이상 상호작용이 예기치 않은 탐지 쌍에 기여함을 시사한다.
• 오류 예산 분석에서 CZ 오류와 측정 및 재설정 중 데이터 큐비트의 디코히런스가 남은 로지컬 에러의 주요 기여 요인임을 확인한다.
• 거리-5 코드는 장치 성능이 점진적으로 개선될 때 거리-3보다 더 빠르게 개선되며, 더 큰 거리 보호의 질적 확장 이점을 검증한다.