[論文レビュー] Fault-tolerant quantum computation with a neutral atom processor

Ben W. Reichardt, Adam Paetznick+70 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

故障耐性のある量子計算を、プログラム可能な中性原子プロセッサ上でエンコードされた論理量子ビットを用いて実証し、24量子ビットのエンコード猫状態と最大28論理量子ビットの Bernstein-Vazirani アルゴリズムを含む。

ABSTRACT

Quantum computing experiments are transitioning from running on physical qubits to using encoded, logical qubits. Fault-tolerant computation can identify and correct errors, and has the potential to enable the dramatically reduced logical error rates required for valuable algorithms. However, it requires flexible control of high-fidelity operations performed on large numbers of qubits. We demonstrate fault-tolerant quantum computation on a quantum processor with 256 qubits, each an individual neutral Ytterbium atom. The operations are designed so that key error sources convert to atom loss, which can be detected by imaging. Full connectivity is enabled by atom movement. We demonstrate the entanglement of 24 logical qubits encoded into 48 atoms, at once catching errors and correcting for, on average 1.8, lost atoms. We also implement the Bernstein-Vazirani algorithm with up to 28 logical qubits encoded into 112 atoms, showing better-than-physical error rates. In both cases, "erasure conversion," changing errors into a form that can be detected independently from qubit state, improves circuit performance. These results begin to clear a path for achieving scientific quantum advantage with a programmable neutral atom quantum processor.

研究の動機と目的

• 量子エラー訂正によって故障耐性のある量子計算を動機づけるために、量子ビットを論理量子ビットへエンコードする。
• 再構成可能な結合性と高いゲート忠実度を備えた中性原子プラットフォームを紹介し、論理演算と誤り/喪失訂正を達成する。
• 距離-2および距離-3の符号を用いて、物理量子ビットの性能を超えるエンタングルメントと論理計算を実証する。
• エンコードされたアーキテクチャ内での喪失検出、誤り検出、故障耐性ゲートの実装を評価する。

提案手法

• 動作可能な原子移動による全結合性を可能にする再構成可能な tweezer アーキテクチャを備え、最大256個の171Yb量子ビットを持つ中性原子プロセッサを使用する。
• 距離-2 4,2,2 符号と距離-3 9,1,3 Bacon-Shor 符号で論理量子ビットをエンコードし、検出/喪失検出を検出し、故障耐性な操作を実行する。
• 論理演算を転置的に実装（例：CNOT、CZ、Hadamard）し、故障耐性状態準備のためにエンコード済み補助量子ビットを使用する。
• エンコード回路に対してグットマンの故障耐性プロトコルに基づく繰り返しの喪失訂正と誤り訂正を実施する。
• エンコードされた猫状態と Bernstein-Vazirani アルゴリズムを用いて、最大28の論理量子ビット（112 個の物理量子ビット）に渡る論理計算をベンチマークする。
• ランダム化ベンチマークと挿入 RB によって単一量子ビットおよび二量子ビットゲート性能を特徴づけ、CZゲート誤差を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 距離-2および距離-3の符号でエンコードされた論理量子ビットは、プログラム可能な中性原子プロセッサ上で故障耐性を持って準備・エンタングルメント・操作することができるか？
• RQ2 喪失誤差やその他の誤差はエンコードされた計算にどの程度影響するのか、繰り返しの喪失/誤差訂正は論理的性能を改善できるか？
• RQ3 エンコードされた猫状態や Bernstein-Vazirani のようなベンチマークのエンコード実装は、中性原子ハードウェア上のエンコードなしの物理量子ビットのベースラインとどう比較されるか？
• RQ4 このプラットフォームにおける多量子ビット操作の実用的なゲート忠実度と喪失率はどの程度で、故障耐性計算にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 4,2,2 でエンコードされた 24 論理量子ビットの猫状態でエンタングルメントを達成した、中性原子ハードウェアで報告された最大のエンコード猫状態。
• 最大 28 論理量子ビットで Bernstein-Vazirani を実装（4,1,2 にエンコード、112 個の物理量子ビットに対応）、物理よりも優れた誤差率を示した。
• Gottesman (2016) に従い、距離-2エンコード回路で繰り返しの喪失訂正を伴う故障耐性計算を実証した。
• 距離-3 Bacon-Shor 符号を用いた繰り返しの喪失および誤り訂正を示し、喪失と一般的な誤差の双方に対処。
• 2量子ビットゲートのベンチマークは CZ 忠実度の欠陥が約 0.4–0.56%、プロトコルと移動に依存、喪失/リークが定量化された。
• 中性原子プラットフォームは原子の移動による任意の接続性と高い単一量子ビット忠実度（各クリフォードゲートあたり約 99.85%）を可能にし、スケーラブルな論理演算を実現。