양자 오류 수정(QEC)은 실용적이고 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하는 데 있어 매우 중요한 요소입니다. 큐비트는 방식에 관계없이 상태를 변경할 수 있는 잡음과 환경적 교란에 매우 취약합니다. QEC는 물리적 큐비트 모음에서 논리적 큐비트를 구성하고 오류 수정 코드를 사용하여 오류를 감지하고 수정함으로써 더 길고 정확한 양자 계산을 가능하게 합니다.
Gemini-급 양자 컴퓨터에서 수행된 이 실험적 작업은 대규모 양자 계산의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 논리적 매직 상태 증류(MSD)를 실현합니다. 안정화 상태와 클리포드 연산은 오류 수정 양자 컴퓨터에서 구현하기 쉬운 경우가 많습니다. 그러나 이러한 상태는 고전적으로도 효율적으로 시뮬레이션할 수 있으며, 보편적인 양자 계산에는 충분하지 않습니다. 이때 매직 상태가 등장합니다: 양자 상태가 안정화 상태로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 설명하는 "매직"은 범용 양자 계산을 수행하고 양자 우위를 달성하는 데 핵심적인 자원입니다. 안타깝게도 고품질 매직 상태는 대규모 양자 컴퓨터를 위해 준비해야 할 가장 복잡한 것 중 하나입니다. 매직 상태 증류는 충실도가 낮은 여러 개의 매직 상태를 정제하여 충실도가 높은 매직 리소스 상태를 준비합니다. 이는 많은 연구가 이루어진 프로토콜이지만 지금까지 논리적 수준의 MSD는 입증되지 않았습니다. 이 연구에서는 2D 컬러 코드를 사용하여 중성 원자 양자 컴퓨터에서 논리적 수준의 MSD를 구현했습니다. 거리 3과 5 코드 모두에서 출력 매직 상태 충실도가 입력을 능가하는 것을 입증했습니다. 증류 이득을 입증하는 것 외에도, 입력 상태의 충실도를 변화시키며 MSD 프로세스의 이차적 오류 억제를 조사하고 출력 개선을 실험적으로 검증했습니다. 중립 원자 플랫폼은 동적 재구성 및 병렬 제어와 같은 고유한 장점을 제공합니다. 우리는 10개의 거리 3 또는 5개의 거리 5 논리 큐비트를 동시에 인코딩하고 이러한 기능을 횡단 연산에 활용했습니다. 이 실험은 범용 내결함성 양자 계산의 핵심 구성 요소를 보여주며 대규모 논리적 양자 프로세서를 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다.
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Zhou, H., Zhao, C., Cain, M., Bluvstein, D., Duckering, C., Hu, H.Y., Wang, S.T., Kubica, A., & Lukin, M.D. (2024). 빠른 양자 컴퓨팅을 위한 알고리즘 내결함성. arXiv 사전 인쇄물, arXiv:2406.17653
하버드 및 예일대 연구진과 협력하여 QEC 팀이 주도한 이 연구에서는 계산에 필요한 전체 시공간 볼륨을 줄이는 데 초점을 맞춘 양자 컴퓨팅의 횡단 알고리즘 내결함성을 위한 새로운 프레임워크를 제안합니다. 기존의 QEC 방법은 각 논리 연산마다 반복적인 증후군 추출이 필요하기 때문에 논리적 클럭 속도가 물리적 클럭 속도보다 현저히 느려집니다(관련 체제에서는 30배 정도 느린 경우가 많음). 이 연구에서는 디코딩 시 전체 알고리즘 컨텍스트를 고려함으로써 QEC의 시간 오버헤드를 10~100배 감소시키는 새로운 내결함성 전략인 횡단 알고리즘 내결함성을 제안하고 이를 증명합니다. 또한 이 방법이 수치 시뮬레이션에서 경쟁력 있는 성능을 제공한다는 것을 보여줍니다. 따라서 이 연구는 양자 내결함성 이론을 새롭게 조명하며, 실제 내결함성 양자 계산의 시공간 비용을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
Q. Xu*, J. P. Bonilla Ataides*, C. A. Pattison, N. Raveendran, D. Bluvstein, J. Wurtz, B. Vasic, M. D. Lukin, L. Jiang, H. Zhou, 재구성 가능한 원자 배열을 이용한 상수 오버헤드 내결함성 양자 계산, Nature Physics 20, 1084 (2024).
하버드, 시카고, 칼텍, 애리조나 연구진과의 협력을 통해 현재 중성 원자 배열에서 사용 가능한 도구를 사용하여 QEC의 공간 오버헤드를 줄일 수 있는 고속 양자 저밀도 패리티 검사(qLDPC) 코드의 물리적 실현을 제안합니다. QLDPC 코드는 일반적으로 실험적으로 구현하기 어려운 것으로 여겨졌지만, 저희는 이러한 코드의 제품 구조를 파악함으로써 최신 광학 도구의 제어 병렬성을 활용하여 현재의 중성 원자 하드웨어에서 구현할 수 있음을 보여줍니다. 또한 현실적인 노이즈 모델에서 성능을 시뮬레이션하여 실제 관련 체제의 공간 오버헤드를 크게 줄였습니다. 우리의 연구는 현재의 실험 기술을 바탕으로 실제 규모에서 qLDPC 코드를 사용한 저오버헤드 양자 컴퓨팅을 탐구할 수 있는 길을 열어줍니다.
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Cain, M., Zhao, C., Zhou, H., Meister, N., Ataides, J.P.B., Jaffe, A., Bluvstein, D., & Lukin, M.D. (2024). 횡단 게이트와 논리 알고리즘의 상관 관계 디코딩. 피지컬 리뷰 레터.
하버드 대학교가 주도하는 이 협업에서는 횡단 게이트로 구현된 논리적 양자 알고리즘의 상관 디코딩 전략의 사용을 탐구합니다. 우리는 횡단 얽힘 게이트 동안 물리적 오류 전파를 설명하기 위해 큐비트를 공동으로 디코딩함으로써 논리 알고리즘의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 이러한 결과는 상관 디코딩이 초기 내결함성 계산에서 큰 이점을 제공하며, 대규모 논리 알고리즘에서 시공간 비용을 줄일 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.
하버드의 공동 연구진이 주도하고 하버드 최초의 원자 배열 실험 시스템에서 실험적으로 수행된 이 논문은 재구성 가능한 원자 배열을 사용하는 논리적 양자 프로세서의 획기적인 데모를 제시합니다. 중성 원자가 물리적 큐비트 역할을 하고 논리적 큐비트는 병렬 연산으로 제어되는 확장 가능한 아키텍처를 소개합니다. 주요 혁신에는 동적 큐비트 재구성, 개별 물리적 큐비트가 아닌 논리적 큐비트의 직접적이고 효율적인 제어가 포함됩니다. 코드 거리를 d=3에서 d=7로 확장하여 표면 코드 2큐비트 논리 게이트의 개선을 입증하고, 내결함성 논리 GHZ 상태를 준비하며, 최대 48개의 논리 큐비트, 228개의 논리 2큐비트 게이트 및 48개의 논리 CCZ 게이트로 계산적으로 복잡한 샘플링 회로를 구현합니다. 이 아키텍처는 현재까지 가장 복잡한 오류 정정 양자 알고리즘을 실현하여 내결함성 양자 계산을 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 이 연구는 또한 다양한 양자 오류 수정 코드와 양자 알고리즘에 대한 원자 배열의 유연한 적응성을 보여줍니다.
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