[论文解读] Dual-rail encoding with superconducting cavities

James D. Teoh, Patrick Winkel+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 124被引用 4

一句话总结

该论文提出一种在两个超导微波腔的单光子子空间中编码的双轨量子比特，利用电路量子电动力学（circuit-QED）检测并转换主要的光子损耗错误为可擦除错误。每个量子比特仅使用一个任意子（transmon）辅助量子比特，该方案可实现通用门操作，实现保罗错误远小于擦除错误的有利错误层级，并在当前退相干时间下支持低于表面码阈值的逻辑操作。

ABSTRACT

The design of quantum hardware that reduces and mitigates errors is essential for practical quantum error correction (QEC) and useful quantum computation. To this end, we introduce the circuit-Quantum Electrodynamics (QED) dual-rail qubit in which our physical qubit is encoded in the single-photon subspace of two superconducting microwave cavities. The dominant photon loss errors can be detected and converted into erasure errors, which are in general much easier to correct. In contrast to linear optics, a circuit-QED implementation of the dual-rail code offers unique capabilities. Using just one additional transmon ancilla per dual-rail qubit, we describe how to perform a gate-based set of universal operations that includes state preparation, logical readout, and parametrizable single and two-qubit gates. Moreover, first-order hardware errors in the cavities and the transmon can be detected and converted to erasure errors in all operations, leaving background Pauli errors that are orders of magnitude smaller. Hence, the dual-rail cavity qubit exhibits a favorable hierarchy of error rates and is expected to perform well below the relevant QEC thresholds with today's coherence times.

研究动机与目标

• 设计一种硬件高效的量子错误纠正（QEC）平台，以降低错误率并提高逻辑保真度。
• 通过将主导的光子损耗错误转换为可检测的擦除错误，缓解超导腔体中的光子损耗错误。
• 仅使用每个双轨量子比特一个辅助量子比特，实现包括态制备、逻辑测量和可调参数的单量子比特与双量子比特门在内的通用量子操作。
• 实现有利的错误层级，使保罗错误远小于擦除错误，从而实现低于QEC阈值的性能。
• 通过利用腔体系统的噪声偏置和辅助量子比特错误检测，实现可扩展的容错量子计算。

提出的方法

• 将逻辑量子比特编码在两个耦合的超导微波腔的单光子子空间 {|01⟩, |10⟩} 中。
• 使用非简并耦合的任意子辅助量子比特，通过类似分束器的相互作用实现态制备、测量和门操作。
• 通过任意子-腔体耦合生成的受控-Z（ZZ）相互作用，实现可调参数的单量子比特与双量子比特门。
• 利用边带驱动将单个激发从任意子转移到腔体，实现快速、高保真度的态制备。
• 利用奇偶测量和动态解耦技术，检测并抑制相邻双轨量子比特之间不必要的交叉-Kerr 相互作用。
• 调节任意子-腔体耦合强度（χ ≈ 10 MHz），在实现快速双量子比特门（~100 ns）的同时，最小化退相干和Purcell效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超导腔体中检测并转换光子损耗错误为擦除错误，以提升QEC性能？
• RQ2 能否仅使用每个双轨量子比特一个任意子辅助量子比特，实现通用逻辑门操作？
• RQ3 双轨腔体量子比特是否表现出有利的错误率层级，即保罗错误显著小于擦除错误？
• RQ4 该方案能否在当前退相干时间下实现低于表面码阈值的逻辑错误率？
• RQ5 在门操作过程中，如何缓解如交叉-Kerr 耦合等不必要的非线性相互作用？

主要发现

• 双轨腔体量子比特将主导的光子损耗错误转换为可检测的擦除错误，后者更易于纠正且纠错阈值更高。
• 仅使用每个量子比特一个任意子辅助量子比特，该方案可实现包括态制备、逻辑测量和可调参数的单/双量子比特门在内的通用门操作。
• 腔体和任意子的一阶硬件错误可被检测并转换为擦除错误，使背景保罗错误降低数个数量级。
• 当 χ ≈ 10 MHz 时，ZZ(θ) 门的门时间可快至 ~100 ns，与基于任意子的双量子比特门相当。
• 系统实现了有利的错误层级：擦除错误占主导，保罗错误远小于擦除错误，泄漏极低。
• 该方案对相邻量子比特之间的交叉-Kerr 相互作用具有鲁棒性，可通过动态解耦或可调耦合器实现抵消。