論文の概要: Beating the break-even point with autonomous quantum error correction
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.16746v1
- Date: Wed, 23 Apr 2025 14:16:41 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-02 15:57:51.145657
- Title: Beating the break-even point with autonomous quantum error correction
- Title（参考訳）: 自律的量子誤り訂正による破局点の打破
- Authors: Yi Li, Qingyuan Mei, Qing-Xuan Jie, Weizhou Cai, Yue Li, Zhiyuan Liu, Zi-Jie Chen, Zihan Xie, Xu Cheng, Xingyu Zhao, Zhenghao Luo, Mengxiang Zhang, Xu-Bo Zou, Chang-Ling Zou, Yiheng Lin, Jiangfeng Du,
- Abstract要約: 量子誤り訂正(QEC)は、高次元ヒルベルト空間で符号化することで、脆弱な量子情報を誤りから保護する。
ここでは、単一トラップイオンの複数の内部スピン状態に符号化された論理量子ビットを持つ自律QECを実現する。
我々は論理量子ビットの寿命を約11.6msまで延長し、物理量子ビットと非補正論理量子ビットの双方において、その寿命を大幅に上回っている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 23.98841239616206
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum error correction (QEC) is essential for practical quantum computing, as it protects fragile quantum information from errors by encoding it in high-dimensional Hilbert spaces. Conventional QEC protocols typically require repeated syndrome measurements, real-time feedback, and the use of multiple physical qubits for encoding. Such implementations pose significant technical complexities, particularly for trapped-ion systems, with high demands on precision and scalability. Here, we realize autonomous QEC with a logical qubit encoded in multiple internal spin states of a single trapped ion, surpassing the break-even point for qubit lifetime. Our approach leverages engineered spin-motion couplings to transfer error-induced entropy into motional modes, which are subsequently dissipated through sympathetic cooling with an ancilla ion, fully eliminating the need for measurement and feedback. By repetitively applying this autonomous QEC protocol under injected low-frequency noise, we extend the logical qubit lifetime to approximately 11.6 ms, substantially outperforming lifetime for both the physical qubit ($\simeq$0.9 ms) and the uncorrected logical qubit ($\simeq$0.8 ms), thereby beating the break-even point with autonomous protection of quantum information without measurement or post-selection. This work presents an efficient approach to fault-tolerant quantum computing that harnesses the intrinsic multi-level structure of trapped ions, providing a distinctive path toward scalable architectures and robust quantum memories with reduced overhead.
- Abstract（参考訳）: 量子誤り訂正(QEC)は、高次元ヒルベルト空間で符号化することで、脆弱な量子情報をエラーから保護するため、実用的な量子コンピューティングには不可欠である。
従来のQECプロトコルでは、通常、繰り返しシンドロームの測定、リアルタイムフィードバック、エンコーディングに複数の物理量子ビットを使用する必要がある。
このような実装は、特にトラップイオンシステムにおいて、精度とスケーラビリティの要求が高い技術的複雑さを生じさせる。
ここでは、単一イオンの複数の内部スピン状態に符号化された論理量子ビットを持つ自律QECを実現する。
提案手法は, 工学的スピンモーション結合を利用して, 誤差誘起エントロピーを運動モードに伝達し, その後, アンシライオンとの交感冷却により散逸し, 測定およびフィードバックの必要性を完全に排除する。
低周波雑音下でこの自律QECプロトコルを繰り返し適用することにより、論理量子ビット寿命を約11.6msに拡張し、物理量子ビット($\simeq$0.9ms)と非補正論理量子ビット($\simeq$0.8ms)の両方の寿命を大幅に上回った。
この研究は、捕捉されたイオンの本質的な多層構造を利用するフォールトトレラント量子コンピューティングへの効率的なアプローチを示し、拡張性のあるアーキテクチャや、オーバーヘッドを低減した堅牢な量子メモリへの明確な経路を提供する。
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