[이석형 박사, 정현석 교수] 오류에 높은 내성을 가진 광자 양자컴퓨팅 방법 개발(npj Quantum Information 논문 게재)
Parity-encoding-based quantum computing with Bayesian error tracking
양자컴퓨팅의 기본 단위인 큐비트는 환경의 영향을 받아 오류가 쉽게 발생한다는 문제점을 갖고 있다. 고전컴퓨팅보다 실용적인 우위를 가지는 양자컴퓨팅을 실현하기 위해서는 오류에 높은 내성을 갖는 양자컴퓨팅 방법의 개발이 필수적이다. 이를 위해 ‘양자 오류 정정’ 방법들이 연구되었다. 이는 여러 개의 보조 큐비트들을 사용하여 하나의 큐비트에 발생하는 오류들을 감지하고 정정한다. 이를 통해 신뢰할만한 하나의 큐비트 정보를 얻어내는 것이 가능하다. 양자 오류정정을 통해 논리적 오류 확률을 임의로 낮추는 것이 가능한 최대 오류율을 오류허용 임계값이라 하며, 오류율이 이보다 높으면 효과적인 오류 정정은 불가능해 진다. 연구진은 자원 사용에 있어서 효율적인 동시에 오류에 높은 내성을 갖는 측정기반 양자컴퓨팅 프로토콜을 제안하였다. 연구의 핵심 아이디어는 여러 개의 광자가 최대로 얽혀 있는 다(多)광자 상태를 하나의 큐비트로 구성하는 인코딩 방법을 사용하는 것이다. 다광자 큐비트들을 연결해나가는 방식으로 그래프 상태를 만들면 투입되는 자원의 양을 최적화하고 오류에 대한 높은 내성을 얻어낼 수 있다. 최종적으로 실제적인 조건 아래에서 하나의 물리적 큐비트당 약 8.5%의 오류 허용 임계값에 도달할 수 있음을 증명하였는데, 이는 같은 조건에서 기존에 예상되던 한계를 3배 이상 끌어올린 것이다. 이를 통해 양자컴퓨팅을 실현하기 위한 기술적 진입장벽을 크게 낮추는데 기여하였다.
Measurement-based quantum computing (MBQC) in linear optical systems is promising for near-future quantum computing architecture. However, the nondeterministic nature of entangling operations and photon losses hinder the large-scale generation of graph states and introduce logical errors. In this work, we propose a linear optical topological MBQC protocol employing multiphoton qubits based on the parity encoding, which turns out to be highly photon-loss tolerant and resource-efficient even under the effects of nonideal entangling operations that unavoidably corrupt nearby qubits. For the realistic error analysis, we introduce a Bayesian methodology, in conjunction with the stabilizer formalism, to track errors caused by such detrimental effects. We additionally suggest a graph-theoretical optimization scheme for the process of constructing an arbitrary graph state, which greatly reduces its resource overhead. Notably, we show that our protocol is advantageous over several other existing approaches in terms of the fault-tolerance and resource overhead.
Seok-Hyung Lee, Srikrishna Omkar, Yong Siah Teo, and Hyunseok Jeong,
Parity-encoding-based quantum computing with Bayesian error tracking,
npj Quantum Information 9, 39 (2023).
Published 24 April 2023
[그림 설명]
[그림 설명]
그림: 3차원 격자 구조를 가지는 그래프 상태 생성의 개략도. 작은 사각형과 원들은 큐비트들이며 검은 실선으로 연결된 부분들은 큐비트들이 얽혀 있음을 의미한다. 주황색 사각형은 얽힘 측정을 의미한다. 왼쪽 그림처럼 먼저 세 개의 큐비트로 이루어진 세 개의 얽힌 큐비트 상태들을 얽힘 측정을 통해 결합함으로써 오른쪽 위의 다섯 개의 큐비트들로 이루어진 중간 크기의 그래프 상태들을 생성한다. 이어서 다섯 개의 큐비트들로 이루어진 그래프 상태들을 다시 얽힘 측정으로 결합해서 우측 하단의 최종적인 3차원 격자 구조의 그래프 상태를 구성한다.