[論文レビュー] Experimental demonstration of quantum fault tolerance

Norbert M. Linke, Marco Gutiérrez+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、4つの捕獲原子イオンを用いて、物理的量子ビットの多重化によりエラーから保護されるフォールトトレランス型論理量子ビットの初の実験的実現を示した。符号化操作の不完全さや高いエラー率がある中でも、シンダム測定を用いたエラー検出プロトコルを実装することで、論理状態の整合性が保たれ、現実の実験的条件下でも頑健であることが実証された。

ABSTRACT

Quantum computers will eventually reach a size at which quantum error correction becomes imperative. Quantum information can be protected from qubit imperfections and flawed control operations by encoding a single logical qubit in multiple physical qubits. This redundancy allows the extraction of error syndromes and the subsequent detection or correction of errors without destroying the logical state itself through direct measurement. Here we show the encoding and syndrome measurement of a fault-tolerant logical qubit via an error detection protocol on four physical qubits, represented by trapped atomic ions. This demonstrates for the first time the robustness of a fault-tolerant qubit to imperfections in the very operations used to encode it. The advantage persists in the face of large added error rates and experimental calibration errors.

研究の動機と目的

• 符号化に用いる操作に不完全さがあるにもかかわらず、物理的量子系において量子エラー訂正をフォールトトレランス型に実現できることを示すこと。
• 符号化およびシンダム測定プロトコルが、下位の操作がノイズ混じりまたは不完全であっても、論理量子ビットのコherencyを維持できることを検証すること。
• 実世界の量子コンputングの制約を模倣するため、大きなエラー率および実験的キャリブレーション誤差下での論理量子ビットの耐性をテストすること。
• 物理的量子ビットの冗長性が、論理状態を崩壊させることなくエラーの検出と是正を可能にすることを実験的に証明すること。

提案手法

• 捕獲原子イオンを用いて、4つの物理的量子ビットに1つの論理量子ビットを符号化し、量子情報を分散させ、エラー検出を可能にする。
• 論理状態を直接測定せずにエラーのシンダムを抽出する量子エラー検出プロトコルを実装し、重ね合わせ状態を保存する。
• 符号化された論理量子ビットにおけるエラーを特定するために、制御された量子操作を用いてシンダム測定を実行する。
• 現実の条件を模倣するため、符号化プロセス中に意図的な不完全さと高いエラー率を導入し、フォールトトレランスの検証を実施する。
• 実験的エラーを含むようにシステムをキャリブレーションし、非理想的な条件下での論理量子ビットの性能を観測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実の量子系において、不完全な操作を用いても論理量子ビットを符号化し、エラーを検出できるフォールトトレランス型プロトコルが実現可能か？
• RQ2 符号化に用いる操作が不完全またはノイズ混じりであっても、論理量子ビットは頑健に保たれるか？
• RQ3 実験的量子コンputングで一般的な大きなエラー率およびキャリブレーションの不正確さ下で、システムはどのように動作するか？
• RQ4 論理状態を測定せずにエラーのシンダムを測定でき、量子重ね合わせ状態を保存できるか？

主な発見

• 符号化操作に顕著な不完全さがあったにもかかわらず、論理量子ビットはコherencyとエラー検出能力を維持した。
• 高いエラー率およびキャリブレーション誤差に対してもシステムの頑健さが示され、実際のフォールトトレランスが確認された。
• 論理状態を直接測定せずにエラーのシンダムが成功裏に抽出され、量子重ね合わせ状態が保存された。
• 実験により、物理的量子ビットの冗長性が、符号化中に生じるエラーに対する効果的な保護を可能にすることが実証された。