[論文レビュー] Saving superconducting quantum processors from qubit decay and correlated errors generated by gamma and cosmic rays

John M. Martinis|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 31被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、宇宙線およびガンマ線によるqubitの崩壊と相関する誤りを軽減するため、超伝導量子プロセッサの再設計を提案する。放射線によって発生するフォノンを厚い常伝導金属膜と準粒子トラップを介して誘導することで、準粒子密度を100分の1に低減し、qubitのコherences時間はマイクロ秒から16マイクロ秒以上に延長され、有効な量子誤り訂正が可能になる。

ABSTRACT

Error-corrected quantum computers can only work if errors are small and uncorrelated. Here I show how cosmic rays or stray background radiation affects superconducting qubits by modeling the phonon to electron/quasiparticle down-conversion physics. For present designs, the model predicts about 57\% of the radiation energy breaks Cooper pairs into quasiparticles, which then vigorously suppress the qubit energy relaxation time ($T_1 \sim$ 160 ns) over a large area (cm) and for a long time (ms). Such large and correlated decay kills error correction. Using this quantitative model, I show how this energy can be channeled away from the qubit so that this error mechanism can be reduced by many orders of magnitude. I also comment on how this affects other solid-state qubits.

研究の動機と目的

• 超伝導量子プロセッサにおける放射線誘発qubitの崩壊と相関誤りという重要な問題に対処すること。
• 宇宙線および背景ガンマ線が、量子誤り訂正を破壊する大きな相関誤りの主な原因であることを特定すること。
• 放射線が超伝導qubitにおける準粒子生成、拡散、再結合に与える影響を定量化すること。
• フォノンエネルギーをqubitから遠ざけるチップレベルの再設計戦略を提案し、準粒子密度を低減し、コherences時間を延長すること。
• 時間的および空間的誤り相関を抑制することで、スケーラブルなフォールトトレラント量子計算を実現すること。

提案手法

• 非平衡統計力学を用いて、超伝導qubitにおけるフォノンから準粒子への変換プロセスをモデル化する。
• 放射線イベントを5段階でシミュレートする：火球形成、フォノン凍結、準粒子拡散、再結合、フォノン放出。
• 厚い常伝導金属膜と準粒子トラップを実装し、エネルギーをqubitから遠ざけ、準粒子密度を低減する。
• 準粒子エネルギー分布および崩壊率の定量的推定を用いて、放射線露出下でのqubit寿命（T₁）を予測する。
• 時間、サイズ、T₁スケールの指標を用いて、現在の設計と再設計済みチップアーキテクチャを比較し、改善を示す。
• 結果を表面コード誤り訂正モデルと統合し、誤りが相関せず訂正可能であることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線およびガンマ線は、どのようにして超伝導プロセッサにおけるqubitコherencesを劣化させる大きな相関する準粒子バーストを誘発するのか？
• RQ2 放射線誘発フォノンがqubitの緩和時間（T₁）および誤りの空間的・時間的相関に与える定量的影響は何か？
• RQ3 放射線遮へいに依存せずに、チップレベルでのエネルギー誘導により準粒子密度を桁違いに低減できるか？
• RQ4 厚い常伝導金属膜および準粒子トラップは、超伝導回路におけるフォノンおよび準粒子輸送のダイナミクスをどのように変化させるか？
• RQ5 高エネルギー放射線イベント下でも、この再設計が表面コード誤り訂正の有効性をどれほど維持できるか？

主な発見

• 宇宙線およびガンマ線は、それぞれ約460 keVおよび約1 MeVのエネルギーを放出し、90％以上の効率でフォノンに変換される。
• フォノンエネルギーの57％がクーペル対を破壊し、準粒子を生成する。その結果、現在の設計ではqubitのT₁が0.16 μsまで低下する。
• 準粒子はmm〜cmスケールに広がり、100 μs〜10 msの間、持続する。その結果、大規模かつ相関する誤りが発生し、誤り訂正が妨げられる。
• 厚い常伝導金属膜を用いた提案された再設計により、初期の準粒子密度が既存設計と比較して100分の1に低減される。
• 改善された設計では、qubitのT₁が16 μs以上に回復し、基本的な値に近づき、有効な誤り訂正が可能になる。
• 再設計チップにおけるフォノン放出およびエネルギー誘導により、2準位状態の有効温度が低下し、デコherenceがさらに抑制される。