[论文解读] A Leakage-Resilient Scheme for the Measurement of Stabilizer Operators in Superconducting Quantum Circuits

Joydip Ghosh, Austin G. Fowler|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 2

一句话总结

该论文提出了一种针对超导量子线路中多量子比特稳定算符测量的抗泄漏协议，通过在每个周期末尾对数据与辅助量子比特执行交换操作，即使在量子比特泄漏的情况下也能实现表面码的容错量子计算。该方法通过在所有物理量子比特上执行测量和重置操作，防止了持续的泄漏错误。

ABSTRACT

Superconducting qubits, while promising for scalability and long coherence times, contain more than two energy levels, and therefore are susceptible to errors generated by the leakage of population outside of the computational subspace. Such leakage errors constitute a prominent roadblock towards fault-tolerant quantum computing (FTQC) with superconducting qubits. FTQC using topological codes is based on sequential measurements of multiqubit stabilizer operators. Here, we first propose a leakage-resilient procedure to perform repetitive measurements of multiqubit stabilizer operators, and then use this scheme as an ingredient to develop a leakage-resilient approach for surface code quantum error correction with superconducting circuits. Our protocol is based on swap operations between data and ancilla qubits at the end of every cycle, requiring read-out and reset operations on every physical qubit in the system, and thereby preventing persistent leakage errors from occurring.

研究动机与目标

• 为解决由于超导量子比特的非谐振能级结构导致的泄漏错误，即量子态从计算子空间泄漏出去的问题。
• 开发一种稳定且可重复的多量子比特稳定算符测量协议，使其在量子误差纠正周期中对泄漏具有鲁棒性。
• 通过减轻泄漏错误的影响，实现在超导架构中使用表面码进行容错量子计算。

提出的方法

• 该协议在每个测量周期末尾对数据与辅助量子比特执行交换操作，以转移量子态 population，防止数据量子比特中泄漏的累积。
• 所有物理量子比特，包括数据与辅助量子比特，在每个周期后均执行测量与重置操作，以清除残余泄漏并维持相干性。
• 该方案被整合进表面码量子误差纠正框架中，即使发生泄漏事件也能确保容错性。
• 该方法依赖于周期性重置的顺序稳定算符测量，确保泄漏不会在周期间持续存在。
• 该方法设计为与现有超导量子硬件兼容，仅使用单量子比特门、CNOT 门和测量等标准操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使具有多能级结构的超导量子比特的稳定算符测量对泄漏具有鲁棒性？
• RQ2 何种协议设计可实现重复且可靠的稳定算符测量，且不会导致泄漏的持续累积？
• RQ3 能否将抗泄漏的测量方案集成到表面码误差纠正中以维持容错性？
• RQ4 测量与重置操作在多个周期内如何抑制泄漏错误？

主要发现

• 所提出的协议通过在每个周期后转移并重置量子比特的 population，成功防止了持续的泄漏错误。
• 在数据与辅助量子比特之间使用交换操作，确保了泄漏不会在测量周期间累积。
• 该方法即使在存在易泄漏的量子比特的情况下，也能实现在超导电路中使用表面码进行容错量子误差纠正。
• 对所有物理量子比特执行测量与重置操作，是维持逻辑量子比特在周期间完整性的关键。
• 该方案与当前超导硬件兼容，仅依赖标准量子操作与测量协议。