[论文解读] Fault tolerance in the IBM Q Experience

Robin Harper, Steven T. Flammia|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 11

一句话总结

本文表明，将量子信息编码在[[4,2,2]]纠错码中，可显著提高容错条件下的门保真度。通过在逻辑码空间内实施随机基准测试，研究将两量子比特门的保真度不足降低了十倍——从5.8(2)%降至0.60(3)%，为逻辑量子比特提升门性能提供了实证证据。尽管如此，由于制备和测量过程中的噪声，整体容错性仍未实现。

ABSTRACT

Quantum computers will require encoding of quantum information to protect them from noise. Fault tolerant quantum computing architectures illustrate how this might be done, but have not yet shown a conclusive practical advantage. Here we demonstrate that a small but useful error detecting code improves the fidelity of the fault tolerant gates implemented in the code space as compared to the fidelity of physically equivalent gates implemented on physical qubits. By running a randomized benchmarking protocol in the logical code space of the [4,2,2] code, we observe an order of magnitude improvement in the infidelity of the gates, with the two-qubit infidelity dropping from 5.8(2)% to 0.60(3)%. Our results are consistent with fault tolerance theory and conclusively demonstrate the benefit of carrying out computation in a code space that can detect errors. Although the fault tolerant gates offer an impressive improvement in fidelity, the computation as a whole is not below the fault tolerance threshold because of noise associated with state preparation and measurement on this device.

研究动机与目标

• 评估将量子信息编码在逻辑码空间是否相比物理量子比特能提升门保真度。
• 测试在真实量子设备上使用小型纠错码实现容错的可行性。
• 识别阻止系统达到容错阈值的主要噪声源。
• 通过在IBM Q Experience上的真实世界实现，为容错理论提供实证验证。

提出的方法

• 在[[4,2,2]]量子纠错码的逻辑码空间内实施随机基准测试协议。
• 对比物理量子比特与编码于[[4,2,2]]码中的逻辑量子比特的门保真度不足。
• 利用小型量子处理器（IBM Q Experience）执行并测量容错门操作。
• 通过随机基准测试序列的统计分析量化门保真度不足。
• 对状态制备和测量的噪声贡献进行独立表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 将量子比特编码在逻辑码空间是否相比物理量子比特能提升门保真度？
• RQ2 [[4,2,2]]码在真实量子设备中在多大程度上降低了门保真度不足？
• RQ3 所观察到的保真度提升是否与纠错码的容错理论预测一致？
• RQ4 阻止系统实现容错的主要噪声源是什么？

主要发现

• 在逻辑码空间中，两量子比特门的保真度不足降低至0.60(3)%，相比物理量子比特5.8(2)%的保真度不足，实现了十倍的改善。
• 门保真度的提升与纠错码在容错条件下的理论预期一致。
• 尽管门保真度显著提升，但由于状态制备和测量中的噪声，整体计算仍高于容错阈值。
• 结果为逻辑量子比特可提升门性能提供了实证证据，验证了容错量子计算的核心原理。