[论文解读] Hardware-Efficient, Fault-Tolerant Quantum Computation with Rydberg Atoms

Iris Cong, Harry Levine+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

该论文通过针对Rydberg态衰变和关联错误进行定制化错误缓解，提出了适用于Rydberg原子量子计算机的硬件高效、容错的量子计算协议。它引入了仅使用3个和9个原子分别编码一个逻辑量子比特的Ryd-3与基于Steane码的方案，实现了领先阶容错，且相比通用方案显著降低了资源开销，并在可扩展的三角形和正方形晶格上展示了可行性。

ABSTRACT

Neutral atom arrays have recently emerged as a promising platform for quantum information processing. One important remaining roadblock for the large-scale application of these systems is the ability to perform error-corrected quantum operations. To entangle the qubits in these systems, atoms are typically excited to Rydberg states, which could decay or give rise to various correlated errors that cannot be addressed directly through traditional methods of fault-tolerant quantum computation. In this work, we provide the first complete characterization of these sources of error in a neutral-atom quantum computer and propose hardware-efficient, fault-tolerant quantum computation schemes that mitigate them. Notably, we develop a novel and distinctly efficient method to address the most important errors associated with the decay of atomic qubits to states outside of the computational subspace. These advances allow us to significantly reduce the resource cost for fault-tolerant quantum computation compared to existing, general-purpose schemes. Our protocols can be implemented in the near-term using state-of-the-art neutral atom platforms with qubits encoded in both alkali and alkaline-earth atoms.

研究动机与目标

• 为解决中性原子量子计算机中Rydberg态衰变和关联错误带来的容错量子计算（FTQC）挑战。
• 为Rydberg原子系统独特的错误模型（衰变导致泄漏和高权重关联错误）设计硬件高效的FTQC方案。
• 证明与通用FTQC协议相比，可显著降低资源开销，实现容错量子计算。
• 使利用碱金属和碱土金属原子的先进中性原子平台实现近期逻辑量子比特成为可能。
• 表明由于Rydberg系统中不存在一阶Pauli-X错误，三原子重复码可实现领先阶容错。

提出的方法

• 作者表征了由Rydberg态衰变和激光脉冲不完善引起的错误模型，识别出泄漏和关联错误为主要挑战。
• 提出一种新方法，通过利用Rydberg态的长寿命作为陷获态，实现选择性光学泵浦，以纠正泄漏错误。
• Ryd-3协议采用三原子重复码，结合保持偏置的CNOT门，通过状态选择性泵浦避免X型和Y型错误。
• 为实现更高阶容错，采用9原子布局实现七量子比特Steane码，逻辑操作被分解为物理Rydberg门。
• 设计了晶格兼容的布局——三角形和正方形，通过调节阻塞半径以实现所有必需的纠缠门，包括逻辑CCZ门。
• 推导出精确的阻塞半径要求（例如，正方形晶格中 $ R_{B,1} > \sqrt{10}d $），以确保门保真度和逻辑门实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在Rydberg态衰变和关联错误的高风险，能否在Rydberg原子系统中实现容错量子计算？
• RQ2 在Rydberg原子平台上，编码一个逻辑量子比特所需的最少物理量子比特数量是多少？
• RQ3 如何在不增加逻辑门开销的前提下，高效纠正由Rydberg衰变引起的泄漏错误？
• RQ4 鉴于Rydberg系统中不存在一阶X错误，三原子重复码能否用于Rydberg系统的容错量子计算？
• RQ5 何种晶格几何结构和阻塞半径配置可实现Rydberg原子阵列中通用逻辑门的可扩展实现？

主要发现

• Ryd-3协议仅使用每个逻辑量子比特三个物理原子，即实现了领先阶容错，得益于Rydberg系统中不存在一阶Pauli-X错误。
• 作者证明，采用9原子布局编码Steane码可实现通用容错操作，包括逻辑Hadamard门和Toffoli门。
• 与通用方案相比，容错量子计算的资源成本显著降低，所需量子比特更少，且容错阈值要求更低。
• 该协议可在三角形和正方形晶格上实现，其中正方形晶格因更高的辅助量子比特密度，使逻辑Toffoli电路减少四个门。
• 推导出精确的阻塞半径要求（例如，$ R_{B,1} > \sqrt{10}d $），以确保逻辑CCZ操作中所有物理CCZ门均可实现。
• 提出一种新颖的光学泵浦程序，利用Rydberg陷获态，实现对 $ m_F > 0 $ 和 $ m_F < 0 $ 态的选择性泵浦，从而最小化保持偏置CNOT门中的X型和Y型错误。