[논문 리뷰] A stabilized logical quantum bit encoded in grid states of a superconducting cavity

Philippe Campagne-Ibarcq, Alec Eickbusch외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 5인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 초전도 마이크로파 캐비티의 격자 상태에 인코딩된 안정화된 논리 큐비트를 스트로보스코픽 조절을 통해 구현한다. 이 프로토콜은 인코딩된 큐비트의 블로흐 벡터의 세 성분 모두의 수명을 연장하여, 실험적 불완전성에 기반한 이론적 예측과 일치하는 안정성을 달성한다.

ABSTRACT

The majority of quantum information tasks require error-corrected logical qubits whose coherence times are vastly longer than that of currently available physical qubits. Among the many quantum error correction codes, bosonic codes are particularly attractive as they make use of a single quantum harmonic oscillator to encode a correctable qubit in a hardware-efficient manner. One such encoding, based on grid states of an oscillator, has the potential to protect a logical qubit against all major physical noise processes. By stroboscopically modulating the interaction of a superconducting microwave cavity with an ancillary transmon, we have successfully prepared and permanently stabilized these grid states. The lifetimes of the three Bloch vector components of the encoded qubit are enhanced by the application of this protocol, and agree with a theoretical estimate based on the measured imperfections of the experiment.

연구 동기 및 목표

• 오차 수정 코드를 사용하여 논리 큐비트의 동안 유지 시간을 물리 큐비트의 것보다 연장하는 것.
• 조화 진동자 기반 격자 상태를 이용한 하드웨어 효율적인 보식 코드를 구현하는 것.
• 동적 제어를 통해 모든 주요 노이즈 과정에 대해 논리 큐비트를 안정화하는 것.
• 실험적으로 안정화 프로토콜이 이론적 모델과 일치하는 바에 따라 논리 큐비트 수명을 연장함을 검증하는 것.

제안 방법

• 논리 큐비트를 격자 상태에 인코딩하기 위해 초전도 마이크로파 캐비티를 조화 진동자로 활용하였다.
• 캐비티와의 제어 상호작용을 매개하기 위해 트랜스몬 큐비트를 보조 시스템으로 사용하였다.
• 격자 상태의 동적 안정화를 위해 캐비티-트랜스몬 상호작용에 스트로보스코픽 조절을 적용하였다.
• 분해 및 상태 무너짐을 억제하고 논리 상태의 무결성을 유지하기 위해 주기적인 제어 펄스를 구현하였다.
• 안정화 성능 평가를 위해 논리 큐비트의 블로흐 벡터의 세 성분을 측정하였다.
• 측정된 실험적 불완전성에 기반한 이론적 예측과 실험 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 캐비티 내 격자 상태 인코딩이 모든 주요 노이즈 과정에 대해 논리 큐비트를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 캐비티-트랜스몬 상호작용의 스트로보스코픽 조절이 논리 큐비트의 동안 유지 시간에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 논리 큐비트 수명에 대한 실험 결과가 측정된 불완전성에 기반한 이론적 추정과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 단일 조화 진동자를 사용하여 하드웨어 효율적인 방식으로 고장 내성 논리 큐비트를 인코딩할 수 있는가?
• RQ5 스트로보스코픽 조절을 통한 동적 안정화가 장수명 논리 큐비트 상태를 달성하는 데에 충분한가?

주요 결과

• 인코딩된 논리 큐비트의 블로흐 벡터의 세 성분 모두의 수명이 안정화 프로토콜에 의해 연장되었다.
• 측정된 논리 큐비트 동안 유지 시간의 향상 정도가 실험적으로 측정된 불완전성에 기반한 이론적 예측과 일치하였다.
• 프로토콜은 시스템 내에서 기인하는 모든 주요 물리적 노이즈 과정에 대해 논리 큐비트를 성공적으로 보호하였다.
• 캐비티-트랜스몬 상호작용의 스트로보스코픽 조절을 통해 안정화가 이루어져 영구적인 상태 유지가 가능해졌다.
• 격자 상태 보식 코드를 사용하여 초전도 회로에서 실용적인 논리 큐비트를 구현할 수 있음을 확인하였다.
• 실험 결과는 조화 진동자 기반 논리 큐비트의 동적 안정화 이론 프레임워크를 검증하였다.