[論文レビュー] Fault tolerance in the IBM Q Experience

Robin Harper, Steven T. Flammia|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、量子情報を[[4,2,2]]誤検出コードに符号化することで、耐故障性の観点からゲートの忠実度が著しく向上することを示している。論理的コード空間内でランダム化ベンチマークを実装することで、2キュービットゲートの不一致度が10倍に低減された—物理的キュービットの5.8(2)%から論理的キュービットの0.60(3)%にまで低下した—これにより、論理的キュービットがゲート性能を向上させることを実証的根拠が得られたが、準備および測定ノイズのため、全体的な耐故障性は達成されていない。

ABSTRACT

Quantum computers will require encoding of quantum information to protect them from noise. Fault tolerant quantum computing architectures illustrate how this might be done, but have not yet shown a conclusive practical advantage. Here we demonstrate that a small but useful error detecting code improves the fidelity of the fault tolerant gates implemented in the code space as compared to the fidelity of physically equivalent gates implemented on physical qubits. By running a randomized benchmarking protocol in the logical code space of the [4,2,2] code, we observe an order of magnitude improvement in the infidelity of the gates, with the two-qubit infidelity dropping from 5.8(2)% to 0.60(3)%. Our results are consistent with fault tolerance theory and conclusively demonstrate the benefit of carrying out computation in a code space that can detect errors. Although the fault tolerant gates offer an impressive improvement in fidelity, the computation as a whole is not below the fault tolerance threshold because of noise associated with state preparation and measurement on this device.

研究の動機と目的

• 物理キュービットと比較して、量子情報を論理的コード空間に符号化することでゲート忠実度が向上するかどうかを評価すること。
• 実際の量子デバイス上で小さな誤検出コードを用いた耐故障性の実用的妥当性を検証すること。
• システムが耐故障性の閾値に達しない原因となっている主なノイズ源を同定すること。
• IBM Q Experience上で実世界の実装を用いて耐故障性理論の実証的妥当性を提供すること。

提案手法

• [[4,2,2]]量子誤検出コードの論理的コード空間内でランダム化ベンチマークプロトコルを実装すること。
• 物理キュービットと[[4,2,2]]コードに符号化された論理的キュービットの間でのゲート不一致度を比較すること。
• 故障耐性ゲートの実行および測定に、スケールの小さい量子プロセッサ（IBM Q Experience）を用いること。
• ランダム化ベンチマークシーケンスの統計的分析を通じてゲート不一致度を定量化すること。
• 状態準備および測定からのノイズ寄与を別々に特徴付けること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 論理的コード空間にキュービットを符号化することで、物理キュービットと比較してゲート忠実度が向上するか？
• RQ2 [[4,2,2]]コードは実際の量子デバイス上でゲート不一致度をどの程度低減するか？
• RQ3 観測された改善は、誤検出コードにおける耐故障性の理論的予測と整合的か？
• RQ4 システムが耐故障性に到達できない主なノイズ源は何か？

主な発見

• 論理的コード空間における2キュービットゲート不一致度は0.60(3)%にまで低下し、物理キュービットの5.8(2)%と比較して10倍の改善が得られた。
• ゲート忠実度の観測された改善は、誤検出コードにおける耐故障性の理論的期待と整合的である。
• ゲート忠実度の著しい向上にもかかわらず、状態準備および測定のノイズのため、全体の計算は依然として耐故障性閾値を超えていた。
• 結果として、論理的キュービットがゲート性能を向上させられることを実証的根拠が得られ、耐故障性量子計算の核心的原則が妥当であることが裏付けられた。