[論文レビュー] Overcoming leakage in scalable quantum error correction

Kevin C. Miao, Matt McEwen+115 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、表面コードおよびビットフィップコードの各サイクルにおいて、すべてのキュービットから漏れを能動的に除去することで、超伝導量子プロセッサにおける漏れの抑制にスケーラブルな手法を示している。動的漏れ除去（DQLR）を実装することで、著者らは平均漏れ人口を10⁻³未塔に抑え、時間非局所的相関を解消し、スケールアップにおける誤り耐性量子誤り訂正に不可欠な非相関誤り仮定を回復した。

ABSTRACT

Leakage of quantum information out of computational states into higher energy states represents a major challenge in the pursuit of quantum error correction (QEC). In a QEC circuit, leakage builds over time and spreads through multi-qubit interactions. This leads to correlated errors that degrade the exponential suppression of logical error with scale, challenging the feasibility of QEC as a path towards fault-tolerant quantum computation. Here, we demonstrate the execution of a distance-3 surface code and distance-21 bit-flip code on a Sycamore quantum processor where leakage is removed from all qubits in each cycle. This shortens the lifetime of leakage and curtails its ability to spread and induce correlated errors. We report a ten-fold reduction in steady-state leakage population on the data qubits encoding the logical state and an average leakage population of less than $1 imes 10^{-3}$ throughout the entire device. The leakage removal process itself efficiently returns leakage population back to the computational basis, and adding it to a code circuit prevents leakage from inducing correlated error across cycles, restoring a fundamental assumption of QEC. With this demonstration that leakage can be contained, we resolve a key challenge for practical QEC at scale.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットにおける量子誤り訂正（QEC）のスケーラビリティを損なう漏れに起因する相関誤りを解消すること。
• 量子誤り訂正回路内のすべてのキュービットに対して、漏れを能動的に除去することで、その拡散および蓄積を防ぐこと。
• 漏れ除去が時間的および空間的非相関誤り仮定を回復することを検証すること。
• 53キュービットのSycamoreプロセッサ全体で、定常状態の漏れ人口を1×10⁻³未塔に抑えることにより、長期的なQEC安定性を実現すること。
• 動的漏れ除去（DQLR）が非局所的誤り相関を抑制することにより、スケーラブルな誤り耐性量子計算に不可欠な要件を満たすこと。

提案手法

• 表面コードおよびビットフィップコード回路の各サイクル後に、キュービットを計算サブスペースに戻すために能動的に測定およびリセットする動的漏れ除去（DQLR）プロトコルを実装する。
• 高速かつ高精度な単一キュービット操作と測定を組み合わせ、高エネルギー準位への漏れを特定および逆転する。
• 多キュービットエンタングルゲートに参加するデータキュービットおよびアンシラキュービットを含め、表面コード内のすべてのキュービットに漏れ除去を適用する。
• 距離3の表面コードおよび距離21のビットフィップコード回路にDQLRを統合し、異なるコード距離における性能を評価する。
• 検出確率行列を用いて時間的および空間的誤り相関を定量的に評価し、漏れが論理誤り率に与える影響を分析する。
• 完全な漏れ抑制が非局所的相関に与える影響を隔離するために、リセットなし（No reset）および部分的漏れ除去（MLR）とDQLRを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子誤り訂正回路内のすべてのキュービットに対して能動的漏れ除去を施すことで、漏れに起因する相関誤りの蓄積および拡散を防ぐことができるか？
• RQ2 動的漏れ除去は、スケーラブルなQECに不可欠な要件である時間非局所的誤り相関をどの程度抑制するか？
• RQ3 漏れ除去は、QECにおける指数的論理誤り抑制に不可欠な非相関物理誤り仮定を回復するか？
• RQ4 大規模な超伝導プロセッサにおける完全なキュービット漏れ除去によって、到達可能な定常状態の漏れ人口はどの程度か？
• RQ5 論理的性能および誤り相関抑制の観点から、動的漏れ除去は部分的または無処理の漏れ除去と比べてどのように異なるか？

主な発見

• 動的漏れ除去（DQLR）により、すべてのキュービットにおける平均漏れ人口が1×10⁻³未塔に抑えられ、漏れの効果的抑制が実証された。
• DQLRプロトコルでは、時間経過に伴い定常状態の漏れが増加しなかったため、安定的かつスケーラブルな漏れ管理が可能であることが示された。
• 時間非局所的相関距離が1を超える場合、誤りパターンにおける非局所的時間相関が0.2%未塔に抑えられ、非相関誤りの理想状態に近づいた。
• 部分的漏れ除去（MLR）と比較して、DQLRは時間非局所的相関を1桁以上抑制し、距離2では依然として約1%の相関を示していたが、DQLRではその影響が著しく低減された。
• 距離21のビットフィップコードにおいて、漏れ除去により漏れに起因する相関誤りが防止され、論理的性能が顕著に向上した。
• DQLR手法により、誤り耐性量子計算に不可欠な非相関誤り仮定が効果的に回復され、スケーラビリティの主要な障壁が解消された。