量子物理学：誤り訂正されたキュービットのフォールトトレラント制御

量子誤り訂正は、脆弱な量子情報を、より大きな量子系に符号化することによって保護する。こうした余剰自由度によって、誤りの検出と修正が可能になるだけでなく、符号化された論理キュービットの制御の複雑さが増大する。フォールトトレラント回路は、論理キュービットを制御しつつ誤りの拡散を抑制し、実際に誤りの抑制を実現するのに不可欠である。フォールトトレラント設計は、原理的には有効だが、本質的な雑音特性を持つ誤り訂正された物理系では、これまで実証されていない。今回我々は、13個のトラップイオンキュービットを用いて、Bacon–Shor論理キュービットの作製、測定、回転、スタビライザー測定を行うフォールトトレラント回路を実験的に実証する。これらのフォールトトレラントプロトコルを非フォールトトレラントプロトコルと比較すると、雑音がある場合に論理プリミティブの誤り率が大幅に低減することが分かった。フォールトトレラント設計の結果は、オフライン誤り訂正後の平均状態生成と測定の誤りが0.6％、クリフォードゲート誤りが0.3％であった。さらに我々は、蒸留しきい値を超える忠実度で魔法状態を生成し、普遍的なフォールトトレラント制御に要求される重要な単一キュービット成分を全て実証した。これらの結果は、現在の量子系においてフォールトトレラント回路によって高精度の論理プリミティブが可能になることを示している。また、2キュービットゲートを改良して中間測定を用いれば、安定化された論理キュービットを実現できる。

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