科研进展 | Quantum Circuits与耶鲁大学演示具有擦除检测逻辑测量的超导双轨腔量子比特

开发可扩展量子系统的关键挑战之一是在执行操作和测量时纠正累积的错误。众所周知,可以检测到主要错误并将其转换为擦除的系统对量子纠错的要求很宽松。最近,有人提出,这可以通过在两个超导腔的微波光子态中使用量子信息双轨编码来实现。实现这种擦除量子比特的必要步骤之一是演示测量并将错误标记为擦除。

7月1日,Quantum Circuits公司、耶鲁大学、美国国家标准技术局的研究人员在《Nature Physics》期刊发表题为“A superconducting dual-rail cavity qubit with erasure-detected logical measurements”(具有擦除检测逻辑测量的超导双轨腔量子比特)的研究论文,Quantum Circuits公司量子工程师Kevin S. Chou为论文第一兼通讯作者,Quantum Circuits公司共同创始人兼首席科学家、耶鲁大学教授Robert J. Schoelkopf为论文共同通讯作者。

Kevin S. Chou,毕业于耶鲁大学,现为Quantum Circuits公司量子工程师。
Robert J. Schoelkopf,Quantum Circuits公司共同创始人兼首席科学家,耶鲁大学斯特林应用物理和物理学教授、量子研究所所长,研究重点是开发用于量子信息处理的超导设备。

在这项工作中,研究人员演示了集成擦除检测的双轨腔量子比特(dual-rail cavity qubit)的投影逻辑测量,并测量了量子比特空闲错误。在0.01%的水平上测量逻辑态制备与测量错误,并将超过99%的腔衰减事件检测为擦除。使用此测量协议的精度来区分此系统中不同类型的错误,发现虽然衰减错误发生的概率约为每微秒0.2%,但相位错误发生的频率要低6倍,比特翻转发生的频率要低至少150倍。这些发现证实了将双轨腔量子比特连接成高效擦除码所必需的预期错误水平。

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图片理论与实验方法

论文的理论基础主要围绕量子纠错中的擦除错误处理展开。双轨编码(dual-rail encoding)是一种将量子信息存储在两个超导腔中的技术,这种方法能够有效地检测并标记擦除错误,从而简化量子纠错的实现。在这篇论文中,研究团队提出并验证了一种集成擦除检测的逻辑测量方法,这种方法能够识别并忽略大多数硬件错误,从而提高测量精度。

实验方法部分,研究团队首先介绍了双轨腔量子比特的构建过程。实验使用了两台超导腔,每个腔体都能够存储微波光子态,并通过腔体之间的相互作用来编码量子信息每个腔体都与一个辅助transmon量子比特耦合,这些辅助量子比特不仅用于初始化和读取量子比特的状态,还用于实现量子逻辑门操作
接着,研究团队设计了一种能够集成擦除检测的逻辑测量方案。与传统的量子比特测量不同,逻辑测量不仅需要确定量子比特态,还要能够检测并标记出可能发生的错误。而使用本文这种方案,测量过程不仅能够读取量子的状态,还能识别并标记那些由于硬件错误而导致的擦除事件。实验过程中,研究团队使用了高精度的量子态制备和测量技术,以确保实验数据的可靠性。
为了实现错误检测和擦除,研究者们开发了一套复杂的测量和反馈机制。这包括使用非线性耦合器来实现腔体之间的参数相互作用,以及使用特定的控制和读出谐振器来精确地初始化和测量量子比特的状态。通过这种设计,研究者们能够在逻辑测量过程中,将主导的硬件错误(包括由于退相干、初始化和读出引起的错误)转换为擦除错误。
态制备与测量协议包括重置量子比特到初态、在逻辑态下初始化量子比特,以及执行可选的检查测量来验证态制备的准确性。在实验中,研究者们采用最优控制脉冲来初始化腔体,随后使用单个transmon测量来检查transmon是否处于预期的基态

为了验证理论的有效性,实验设计了多组对比实验,分别测量了量子比特在不同操作下的错误率和擦除事件的检测率。通过这些实验,研究团队不仅验证了理论模型的准确性,还展示了双轨腔量子比特在实际操作中的优越性能。

图片研究结果

在实验结果部分,论文展示了多项重要的发现。首先,研究团队通过实验测量了逻辑态制备与测量的错误率,这一错误率低至0.01%。此结果表明,通过集成擦除检测的逻辑测量方法,量子计算的精度得到了显著提高。此外,实验还检测到超过99%的腔衰减事件为擦除事件。这一高检测率进一步验证了擦除检测方法的有效性和可靠性。

在对不同类型错误的分析中,研究团队发现衰减错误的发生概率约为每微秒0.2%,而相位错误的发生频率则低6倍,比特翻转错误的发生频率更是低至150倍。这一错误水平的发现为未来设计更高效的擦除码提供了重要依据。研究团队指出,这些结果不仅确认了理论预期的错误水平,还展示了双轨腔量子比特在集成擦除检测后,作为高效擦除码的潜力。

图片结语

总的来说,这篇论文通过详细的理论分析和实验验证,展示了双轨腔量子比特及其擦除检测逻辑测量方法的优越性能。研究结果不仅为量子计算的纠错提供了新思路,也为未来构建更大规模、更高可靠性的量子计算系统奠定了基础。这篇论文的工作不仅在学术研究中具有重要意义,对于实际应用中提高量子计算机的可靠性和效率也具有重要的参考价值。

图片图1:双轨腔量子比特的概念、实现和测量。

图片图2:双轨量子比特的态制备与测量。

图片图3:双轨比特翻转错误测量。

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图4:双轨相位翻转错误测量。

参考链接

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02539-4

https://www.linkedin.cn/incareer/in/kevin-chou-aa179912b