[论文解读] Overcoming leakage in scalable quantum error correction

Kevin C. Miao, Matt McEwen+115 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 38被引用 7

一句话总结

该论文展示了一种可扩展的方法，通过在表面码和位翻转码的每个周期内主动清除所有量子比特中的泄漏，从而抑制超导量子处理器中的泄漏。通过实施动态泄漏清除（DQLR），作者将平均泄漏占据数降至10⁻³以下，并消除了时间非局域相关性，恢复了容错量子误差纠正中至关重要的未相关误差假设。

ABSTRACT

Leakage of quantum information out of computational states into higher energy states represents a major challenge in the pursuit of quantum error correction (QEC). In a QEC circuit, leakage builds over time and spreads through multi-qubit interactions. This leads to correlated errors that degrade the exponential suppression of logical error with scale, challenging the feasibility of QEC as a path towards fault-tolerant quantum computation. Here, we demonstrate the execution of a distance-3 surface code and distance-21 bit-flip code on a Sycamore quantum processor where leakage is removed from all qubits in each cycle. This shortens the lifetime of leakage and curtails its ability to spread and induce correlated errors. We report a ten-fold reduction in steady-state leakage population on the data qubits encoding the logical state and an average leakage population of less than $1 imes 10^{-3}$ throughout the entire device. The leakage removal process itself efficiently returns leakage population back to the computational basis, and adding it to a code circuit prevents leakage from inducing correlated error across cycles, restoring a fundamental assumption of QEC. With this demonstration that leakage can be contained, we resolve a key challenge for practical QEC at scale.

研究动机与目标

• 解决由泄漏引起的关联误差问题，该问题会破坏超导量子比特中量子误差纠正（QEC）的可扩展性。
• 证明可在量子误差纠正电路中对所有量子比特主动清除泄漏，防止其传播和累积。
• 验证泄漏清除可恢复时间和空间上的未相关误差基本假设。
• 在53量子比特的Sycamore处理器上实现稳态泄漏占据数低于1×10⁻³，从而实现长期QEC稳定性。
• 表明动态泄漏清除（DQLR）可抑制非局域误差相关性，这是实现可扩展容错量子计算的关键要求。

提出的方法

• 实施一种动态泄漏清除（DQLR）协议，在表面码和位翻转码电路的每个周期后，主动测量并将其重置回计算子空间。
• 结合快速、高保真度的单量子比特操作与测量，识别并逆转向更高能级的泄漏。
• 对表面码中的所有数据量子比特和辅助量子比特实施泄漏清除，包括参与多量子比特纠缠门的量子比特。
• 将DQLR集成到距离-3表面码和距离-21位翻转码电路中，以评估不同码距下的性能表现。
• 利用检测概率矩阵量化时间和空间上的误差相关性，评估泄漏对逻辑错误率的影响。
• 将DQLR与无重置（No reset）和部分泄漏清除（MLR）进行对比，以隔离完全泄漏抑制对非局域相关性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子误差纠正电路中对所有量子比特实施主动泄漏清除，是否能防止泄漏引起的关联误差的累积与传播？
• RQ2 动态泄漏清除在多大程度上抑制了时间非局域误差相关性？这是一类可扩展QEC的关键要求。
• RQ3 泄漏清除是否能恢复量子误差纠正中实现指数级逻辑错误抑制所必需的未相关物理误差假设？
• RQ4 在大规模超导处理器中，通过完全量子比特泄漏清除可实现的稳态泄漏占据数是多少？
• RQ5 与部分或无泄漏清除相比，动态泄漏清除在逻辑性能和误差相关性抑制方面表现如何？

主要发现

• 通过动态泄漏清除（DQLR），所有量子比特的平均泄漏占据数被抑制至1×10⁻³以下，证明了泄漏的有效控制。
• DQLR协议中稳态泄漏未随时间增长，表明泄漏管理具有稳定性和可扩展性。
• 误差模式中的时间非局域相关性被抑制至距离>1时低于0.2%，接近理想状态下的未相关误差条件。
• 与部分泄漏清除（MLR）相比，DQLR将时间非局域相关性降低了一个数量级以上，后者在距离-2时仍表现出约1%的相关性。
• 在距离-21位翻转码中，泄漏清除显著提升了逻辑性能，有效防止了泄漏引起的关联误差。
• DQLR方法有效恢复了容错量子计算所必需的未相关误差假设，解决了可扩展性方面的一个关键障碍。