[论文解读] Experimental demonstration of quantum fault tolerance

Norbert M. Linke, Marco Gutiérrez+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

本文首次在实验上实现了使用四个捕获原子离子的容错逻辑量子比特，通过将量子信息编码在多个物理量子比特中以抵御错误。通过实施带有投影测量的错误检测协议，系统在编码操作存在缺陷和高错误率的情况下仍能保持逻辑态的完整性，证明了在真实实验条件下具备鲁棒性。

ABSTRACT

Quantum computers will eventually reach a size at which quantum error correction becomes imperative. Quantum information can be protected from qubit imperfections and flawed control operations by encoding a single logical qubit in multiple physical qubits. This redundancy allows the extraction of error syndromes and the subsequent detection or correction of errors without destroying the logical state itself through direct measurement. Here we show the encoding and syndrome measurement of a fault-tolerant logical qubit via an error detection protocol on four physical qubits, represented by trapped atomic ions. This demonstrates for the first time the robustness of a fault-tolerant qubit to imperfections in the very operations used to encode it. The advantage persists in the face of large added error rates and experimental calibration errors.

研究动机与目标

• 证明即使在实现它的操作存在缺陷的情况下，量子误差校正也可以在物理量子系统中实现容错。
• 验证编码和投影测量协议即使在底层操作存在噪声或不完美时，也能保持逻辑量子比特的相干性。
• 在大错误率和实验校准误差下测试逻辑量子比特的鲁棒性，以模拟真实世界量子计算的约束条件。
• 提供实验证据表明，物理量子比特的冗余可实现错误的检测与校正，而不会导致逻辑态坍缩。

提出的方法

• 使用捕获原子离子将单个逻辑量子比特编码在四个物理量子比特上，以分散量子信息并实现错误检测。
• 实施一种量子错误检测协议，通过投影测量提取错误投影，而无需直接测量逻辑态，从而保持叠加态。
• 使用受控量子操作对编码的逻辑量子比特执行投影测量，以识别物理量子比特中的错误。
• 在编码过程中引入故意的缺陷和高错误率，以在真实条件下测试容错能力。
• 对系统进行校准以包含实验误差，并观察在这些非理想条件下逻辑量子比特的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在真实量子系统中使用容错协议编码逻辑量子比特并检测其错误？
• RQ2 当用于编码它的操作存在缺陷或噪声时，逻辑量子比特是否仍保持鲁棒性？
• RQ3 在实验量子计算中典型的高错误率和校准不准确条件下，系统性能如何？
• RQ4 是否可以测量错误投影而不导致逻辑态坍缩，从而保持量子相干性？

主要发现

• 尽管编码操作存在显著缺陷，逻辑量子比特仍保持了相干性和错误检测能力。
• 系统在高错误率和校准误差下表现出鲁棒性，证实了实际应用中的容错能力。
• 成功提取了错误投影，而未测量逻辑态，从而保持了量子叠加态。
• 实验证明，物理量子比特的冗余可有效保护逻辑态，防止编码过程中引入的错误。