[论文解读] Protecting quantum entanglement from qubit errors and leakage via repetitive parity measurements

Cornelis Christiaan Bultink, Thomas E. O’Brien+10 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种通过重复奇偶测量和隐马尔可夫模型检测并纠正量子比特错误与退相干的保相干方法，以保护超导量子比特中的量子纠缠。通过后选择和泡利框架校正，该方法在26次奇偶测量内实现了贝尔态的稳定，实现了大规模量子处理器中实时退相干追踪。

ABSTRACT

Protecting quantum information from errors is essential for large-scale quantum computation. Quantum error correction (QEC) encodes information in entangled states of many qubits, and performs parity measurements to identify errors without destroying the encoded information. However, traditional QEC cannot handle leakage from the qubit computational space. Leakage affects leading experimental platforms, based on trapped ions and superconducting circuits, which use effective qubits within many-level physical systems. We investigate how two-transmon entangled states evolve under repeated parity measurements, and demonstrate the use of hidden Markov models to detect leakage using only the record of parity measurement outcomes required for QEC. We show the stabilization of Bell states over up to 26 parity measurements by mitigating leakage using postselection, and correcting qubit errors using Pauli-frame transformations. Our leakage identification method is computationally efficient and thus compatible with real-time leakage tracking and correction in larger quantum processors.

研究动机与目标

• 解决超导量子比特和离子阱中计算子空间退相干的问题，该问题会破坏量子误差纠正。
• 开发一种计算高效的退相干识别方法，仅利用量子误差纠正所需的奇偶测量结果。
• 在存在量子比特错误和退相干的情况下，实现多次奇偶测量周期中纠缠贝尔态的稳定。
• 通过后选择和泡利框架变换，实现在大规模量子处理器中实时退相干追踪与校正。

提出的方法

• 在双转阻抗纠缠系统中重复执行奇偶测量，以监控错误和退相干事件。
• 将隐马尔可夫模型应用于奇偶测量记录，以推断退相干的存在，且无需额外测量开销。
• 通过后选择剔除检测到退相干的实验运行，从而保持逻辑量子比特态的完整性。
• 利用奇偶测量结果通过泡利框架变换纠正量子比特错误。
• 利用现有的奇偶测量记录，同时实现退相干检测与错误纠正。
• 设计一种与可扩展量子架构中实时处理兼容的框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅利用量子误差纠正所需的奇偶测量结果检测超导量子比特中的退相干？
• RQ2 隐马尔可夫模型在双转阻抗系统中，从奇偶测量记录中识别退相干事件的效率如何？
• RQ3 在通过后选择缓解退相干后，贝尔态在多次奇偶测量中能稳定多长时间？
• RQ4 将退相干检测与泡利框架错误纠正结合后，逻辑态保真度的性能提升程度如何？
• RQ5 所提出的方法在计算效率上是否足够高，可实现在大规模量子处理器中的实时部署？

主要发现

• 该方法仅利用奇偶测量记录即可成功检测退相干，无需额外测量资源。
• 通过结合后选择与泡利框架校正，贝尔态在最多26次连续奇偶测量中实现稳定。
• 隐马尔可夫模型方法实现了高精度的退相干识别，且计算开销极低。
• 后选择与泡利框架变换的结合显著延长了纠缠态的存活时间。
• 该框架计算效率高，适合在可扩展量子处理器中实现实时部署。
• 该方法与现有量子误差纠正协议保持兼容，同时扩展了其处理退相干的能力。