[论文解读] Detecting, tracking, and eliminating drift in quantum information processors

Timothy Proctor, Melissa Revelle+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

本文提出了一种快速且统计稳健的光谱分析技术，用于检测、追踪并消除量子信息处理器中常见的时变误差——通常称为漂移。通过分析随机基准和拉比谱等标准表征协议所获得的时间序列数据，该方法可实时识别波动的误差率，从而实现有针对性的缓解；在离子阱量子比特的实验中，成功定位并消除了此前未被发现的不稳定性。

ABSTRACT

If quantum information processors (QIPs) are ever to fulfill their potential, the diverse errors that impact them must be understood and suppressed. But errors fluctuate over time in most processors and the most widely used tools for characterizing them assume static error modes and rates. This mismatch can cause unheralded failures, misidentified error modes, and significant waste of experimental effort. Here, we demonstrate a fast spectral analysis technique for resolving time dependence in QIPs. Our method is simple and statistically sound, and it can be applied to time-series data from any repeated QIP experiment. We use data from both numerical simulations and trapped-ion qubit experiments to show how our method can resolve time dependence when coupled to popular characterization protocols, including randomized benchmarking, gate set tomography, and Ramsey spectroscopy. In the experiments, we detected instability and localized its source, then implemented drift control techniques to mitigate it, and finally used our methods to demonstrate that the instability had been eliminated.

研究动机与目标

• 解决量子信息处理器中时变误差这一关键挑战，此类误差会破坏标准表征工具的可靠性。
• 克服现有协议（如随机基准和门集层析）的局限性，这些协议假设误差率为静态，当误差随时间波动时会失效。
• 开发一种通用、快速且统计可靠的通用方法，利用标准实验数据检测和追踪量子信息处理器中的时变误差动力学。
• 实现实时识别和缓解漂移源，以提高量子处理器的稳定性和性能。

提出的方法

• 对来自重复量子信息处理器实验（如随机基准和拉比谱）的时间序列数据应用光谱分析。
• 使用基于傅里叶的技巧将误差率波动分解为频率分量，识别出主导的时变误差模式。
• 将光谱方法与既有的表征协议集成，实现在无需专用硬件或实验修改的情况下检测漂移。
• 利用统计推断区分真实时变误差与噪声，确保检测到的漂移具有鲁棒性和可靠性。
• 通过迭代应用该方法，追踪误差缓解策略的影响并验证其有效性。
• 利用漂移的光谱特征定位其源头，从而实现有针对性的硬件或控制修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 当标准协议假设误差率为静态时，如何检测量子信息处理器中的时变误差？
• RQ2 对时间序列数据进行光谱分析在多大程度上能提升离子阱量子比特误差表征的准确性？
• RQ3 是否可仅使用标准实验数据和后处理方法对量子处理器中的漂移进行定位和缓解？
• RQ4 该方法在控制或硬件干预后，多大程度上能有效验证漂移的消除？

主要发现

• 光谱分析方法成功检测到在标准随机基准和拉比谱中未被发现的离子阱量子比特实验中的时变误差波动。
• 该方法将不稳定性源头定位到特定的控制激光，从而通过硬件调整实现有针对性的缓解。
• 在实施漂移控制后，光谱分析确认了时变误差分量的显著减少，验证了校正措施的有效性。
• 该技术与多种标准表征协议兼容，包括随机基准、门集层析和拉比谱。
• 该方法实现了对误差动力学的实时追踪，支持误差抑制策略的迭代改进与验证。
• 该方法对噪声具有鲁棒性且统计上可靠，无需额外实验开销即可实现对漂移的可靠检测。