[论文解读] Scalable in-situ qubit calibration during repetitive error detection

J. Kelly, R. Barends+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出主动检测事件参数调优（ADEPT），一种可扩展的、在超导量子处理器中重复错误检测过程中实时优化量子比特控制参数的原位方法。通过利用错误检测结果作为反馈，ADEPT 实现了单量子比特和双量子比特门的实时校准，并在不中断计算的情况下补偿所有量子比特的独立频率漂移，实现了大规模容错量子计算的 O(1) 可扩展性。

ABSTRACT

We present a method to optimize qubit control parameters during error detection which is compatible with large-scale qubit arrays. We demonstrate our method to optimize single or two-qubit gates in parallel on a nine-qubit system. Additionally, we show how parameter drift can be compensated for during computation by inserting a frequency drift and using our method to remove it. We remove both drift on a single qubit and independent drifts on all qubits simultaneously. We believe this method will be useful in keeping error rates low on all physical qubits throughout the course of a computation. Our method is O(1) scalable to systems of arbitrary size, providing a path towards controlling the large numbers of qubits needed for a fault-tolerant quantum computer

研究动机与目标

• 开发一种在大规模量子处理器中持续错误检测期间可扩展的原位校准量子比特控制参数的方法。
• 解决物理量子比特中随时间变化的控制参数和参数漂移问题，这些问题会随时间降低门保真度。
• 实现实时优化，而无需中断错误检测，也无需依赖量子态层析或随机基准测试。
• 通过将错误检测结果作为反馈，证明在任意量子比特阵列中校准具有 O(1) 可扩展性。
• 通过动态实时补偿漂移，保持长时间计算中的低错误率。

提出的方法

• ADEPT 使用错误检测结果——特别是检测事件率（如比特翻转错误）——作为反馈指标，以优化控制参数。
• 该方法将量子比特划分为固定大小的组（例如，重复码中的数据量子比特和测量量子比特），以实现在每组内独立校准门参数。
• 根据每组检测结果中观察到的错误率，调整如拉比频率、失谐量和门角度等控制参数。
• 采用硬件模式交错策略，循环切换不同的量子比特分组，实现在无重叠或干扰的情况下同时校准所有量子比特。
• 将频率跟踪算法与 ADEPT 结合，实现实时跟踪并补偿每个量子比特的独立频率漂移。
• 该技术在九量子比特超导处理器上实现，采用表面码的重复码，校准过程在主动错误检测期间完成。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不中断计算的情况下，于主动错误检测期间实时优化量子比特控制参数？
• RQ2 ADEPT 是否可扩展至任意大小的量子比特阵列，同时保持每个量子比特的 O(1) 计算开销？
• RQ3 是否可在计算过程中同时跟踪并补偿每个量子比特的独立频率漂移？
• RQ4 使用检测事件率作为反馈指标，是否能实现长时间运行下的稳定、低错误率操作？
• RQ5 ADEPT 是否可应用于重复码以外的各类量子误差纠正码？

主要发现

• ADEPT 在九量子比特超导处理器上，于主动错误检测期间成功并行优化了单量子比特和双量子比特门参数。
• 该方法在 4800 万次检测周期内，补偿了九个量子比特各自 ±10 MHz 的独立频率漂移，相当于约 42 秒的实际运行时间。
• 所有测量量子比特均维持了稳定的误差率指标（ζ），表明补偿和稳定效果成功低于随机化极限。
• 误差率指标 ζ 在整个实验过程中保持稳定，证明漂移被有效实时跟踪并纠正。
• 该技术实现了与系统规模无关的 O(1) 可扩展性，可在不增加每个量子比特开销的前提下校准所有量子比特。
• ADEPT 不要求量子比特工作在逻辑阈值以下，可适用于任意具有有界分组大小和每个量子比特固定分组参与次数的误差纠正码。