[论文解读] Data and plotting code for 'Mid-circuit correction of correlated phase errors using an array of spectator qubits'

Kevin Singh, C. E. Bradley+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种在中性原子量子处理器中实时纠正相关相位误差的方法，利用铯原子辅助量子比特阵列来探测并相干地校正影响铷原子数据量子比特的噪声。通过执行单次测量的电路中途读出辅助量子比特，并应用实时前馈校正，该协议将退相干抑制至11 mG以内，当辅助量子比特对比度理想时，数据量子比特保真度达到97.4%，实现了在噪声相关且复杂的环境中的可扩展错误缓解。

ABSTRACT

Scaling up invariably error-prone quantum processors is a formidable challenge. While quantum error correction ultimately promises fault-tolerant operation, the required qubit overhead and error thresholds are daunting, and many codes break down under correlated noise. Recent proposals have suggested a complementary approach based on co-located, auxiliary 'spectator' qubits. These act as in-situ probes of noise, and enable real-time, coherent corrections of the resulting errors on the data qubits. Here, we use an array of cesium spectator qubits to correct correlated phase errors on an array of rubidium data qubits. Crucially, by combining in-sequence readouts, data processing, and feed-forward operations, these correlated errors are suppressed within the execution of the quantum circuit. The protocol is broadly applicable to quantum information platforms, and our approach establishes key tools for scaling neutral-atom quantum processors: mid-circuit readout of atom arrays, real-time processing and feed-forward, and coherent mid-circuit reloading of atomic qubits.

研究动机与目标

• 为解决可扩展量子处理器中的相关噪声问题，此类噪声会削弱传统量子误差校正的有效性。
• 开发一种无需事先了解噪声谱或相关时间的实时、原位错误缓解协议。
• 在双物种原子阵列中实现电路中途读出、实时处理和前馈校正，对数据量子比特干扰最小。
• 实现在数据量子比特相干时间内的辅助量子比特相干重加载，支持重复错误校正。
• 在约60个数据量子比特和约60个辅助量子比特的实验系统中验证该协议，实现对退相干至11 mG的抑制。

提出的方法

• 采用激光捕获的双物种原子阵列，其中铷原子作为数据量子比特（超精细态编码），铯原子作为辅助量子比特。
• 通过电路中途、单次测量的荧光读出技术，估计全局相关的相位误差，同时不破坏数据量子比特的相干性。
• 利用经典控制架构实时处理辅助量子比特读出结果，并对数据量子比特施加前馈幺正校正。
• 依赖于噪声引起的相位漂移在数据与辅助量子比特之间具有相关性，假设两种原子物种对噪声的响应相同。
• 利用微波拉比振荡表征量子比特相干性，并在受控噪声注入条件下验证协议的有效性。
• 采用无自由参数的模型模拟并预测系统行为，对实验中的偏差（如校正不足和有限脉冲宽度）进行调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过电路中途读出和实时前馈校正，在中性原子量子处理器中抑制相关相位误差？
• RQ2 辅助量子比特在不降低数据量子比特相干性的情况下，能在多大程度上感知并实现对数据量子比特噪声的校正？
• RQ3 该协议的性能在多大程度上依赖于辅助量子比特的对比度和辅助量子比特数量？
• RQ4 该协议能有效抑制的最大噪声强度（以mG为单位）是多少？
• RQ5 辅助量子比特是否能在数据量子比特相干时间内被重新加载，以支持重复错误校正？

主要发现

• 该协议成功将相关相位误差抑制至11 mG以内，实验结果表明在该阈值内具有鲁棒性。
• 在未注入噪声的情况下，当前实验参数（N=61个辅助量子比特，C=0.46）下数据量子比特保真度为88.0%，当辅助量子比特对比度C=1时提升至97.4%。
• 数值模拟表明，将辅助量子比特数量增加至165个，可使保真度提升至95.6%（C=0.46）或99.0%（C=1），表明有限对比度是主要误差源。
• 协议因辅助量子比特读出时间有限，对共振特征边缘的噪声表现出轻微敏感性，但整体仍保持对退相干的强抑制。
• 辅助量子比特可在数据量子比特相干时间内重新加载，支持重复测量和连续运行。
• 实验与模拟之间的偏差源于非线性噪声合成和相位估计不完善，可通过改进制备方案和缩短读出时间加以缓解。