[논문 리뷰] A Leakage-Resilient Scheme for the Measurement of Stabilizer Operators in Superconducting Quantum Circuits

Joydip Ghosh, Austin G. Fowler|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 10.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 초전도 양자 회로에서 다중 큐비트 안정자 연산자를 측정하기 위해, 각 사이클의 끝에서 데이터 큐비트와 보조 큐비트 사이의 스왑 연산을 사용하여 유실에 강건한 프로토콜을 제안한다. 이는 큐비트 유실이 존재하는 상황에서도 표면 코드를 사용한 고장 내성 양자 계산을 가능하게 한다. 방법은 모든 물리적 큐비트에 대한 읽기 및 재설정 연산을 통해 지속적인 유실 오류를 방지한다.

ABSTRACT

Superconducting qubits, while promising for scalability and long coherence times, contain more than two energy levels, and therefore are susceptible to errors generated by the leakage of population outside of the computational subspace. Such leakage errors constitute a prominent roadblock towards fault-tolerant quantum computing (FTQC) with superconducting qubits. FTQC using topological codes is based on sequential measurements of multiqubit stabilizer operators. Here, we first propose a leakage-resilient procedure to perform repetitive measurements of multiqubit stabilizer operators, and then use this scheme as an ingredient to develop a leakage-resilient approach for surface code quantum error correction with superconducting circuits. Our protocol is based on swap operations between data and ancilla qubits at the end of every cycle, requiring read-out and reset operations on every physical qubit in the system, and thereby preventing persistent leakage errors from occurring.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트의 비선형 레벨 구조로 인해 계산 하위공간을 넘어서 인구가 유실되는 데 기인하는 유실 오류 문제를 해결하기 위해.
• 유실 상황에서도 지속 가능하고 안정적인 다중 큐비트 안정자 연산자의 측정 프로토콜을 개발하기 위해.
• 유실 오류의 영향을 완화함으로써 초전도 아키텍처에서 표면 코드를 사용한 고장 내성 양자 계산을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 각 측정 사이클의 끝에서 데이터 큐비트와 보조 큐비트 사이의 스왑 연산을 사용하여 인구를 이동시켜 데이터 큐비트에 유실이 축적되지 않도록 한다.
• 모든 물리적 큐비트(데이터 및 보조 큐비트 포함)가 각 사이클 후에 읽기 및 재설정 연산을 거쳐 잔류 유실을 제거하고 일관성을 유지한다.
• 표면 코드 양자 오류 수정 프레임워크에 이 기법을 통합하여, 유실 사건이 발생하더라도 고장 내성 보장한다.
• 유지보수를 위한 순차적 안정자 측정과 주기적 재설정에 의존함으로써, 유실이 사이클 간에 지속되지 않도록 보장한다.
• 단일 큐비트 게이트, CNOT, 읽기와 같은 표준 연산을 사용하므로 기존 초전도 양자 하드웨어와의 호환성이 높다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 에너지 수준을 가진 초전도 큐비트에서 안정자 측정을 어떻게 유실에 강건하게 만들 수 있는가?
• RQ2 유지보수 중에 지속적인 유실 축적이 발생하지 않도록 반복적이고 신뢰할 수 있는 안정자 측정을 가능하게 하는 프로토콜 설계는 무엇인가?
• RQ3 유실에 강건한 측정 기법을 표면 코드 오류 수정에 통합하여 고장 내성 유지가 가능한가?
• RQ4 읽기 및 재설정 연산은 다중 사이클에 걸쳐 유실 오류를 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 각 사이클 후에 큐비트 인구를 이동시키고 재설정함으로써 지속적인 유실 오류를 성공적으로 방지한다.
• 데이터 큐비트와 보조 큐비트 사이의 스왑 연산을 사용함으로써, 유실이 측정 사이클 간에 축적되지 않음을 보장한다.
• 유실에 취약한 큐비트가 존재하는 상황에서도 이 방법은 초전도 회로에서 표면 코드를 사용한 고장 내성 양자 오류 수정을 가능하게 한다.
• 모든 물리적 큐비트에 대한 읽기 및 재설정 연산은 사이클 간에 논리 큐비트의 무결성을 유지하는 데 필수적이다.
• 이 기법은 표준 양자 연산과 측정 프로토콜만을 사용하므로 현재의 초전도 하드웨어와 호환된다.