Quantum Error Correction with Multispecies Superconducting Circuits

Opis projektu

Innowacyjne architektury, które ograniczają błędy w obliczeniach kwantowych

Komputery kwantowe mają ogromny potencjał, jeśli chodzi o zrewolucjonizowanie technologii i rozwiązywanie złożonych problemów, jednak ich rozwój hamuje kruchość kubitów, która prowadzi do błędów. Obecne urządzenia kwantowe nie radzą sobie z utrzymaniem idealnej precyzji działania, co ma zasadnicze znaczenie dla uruchamiania zaawansowanych algorytmów kwantowych. Tradycyjne metody korekcji błędów wymagają wykorzystania tysięcy fizycznych kubitów do utworzenia zaledwie jednego niezawodnego kubitu logicznego, co sprawia, że praktyczne zastosowanie komputerów kwantowych wciąż pozostaje odległą perspektywą. Zespół finansowanego przez ERBN projektu MultiCorreQCt pomoże przezwyciężyć to ograniczenie dzięki badaniom nad wielogatunkowymi architekturami konkatenowanymi. Architektury tego typu łączą wyspecjalizowane kubity, z których każdy jest zoptymalizowany pod kątem określonej funkcji, z warstwowymi metodami korekcji błędów. Takie podejście pozwala radykalnie ograniczyć wymagania sprzętowe niezbędne do realizacji obliczeń kwantowych. Jeśli projekt zakończy się sukcesem, proponowana metoda może otworzyć drogę do skalowalnych, wolnych od błędów komputerów kwantowych.

Cel

In this project, we will build quantum-physical devices based on superconducting circuits and investigate approaches towards error -corrected quantum computing, which are both hardware-efficient and scalable. To this goal we envision to address errors hierarchically by multiple error-correcting layers and by using multispecies architectures in which data qubits and ancillary qubits are optimized for their respective purposes.
Despite the tremendous progress in building quantum computers, all of today’s existing devices suffer from errors. All known quantum algorithms with a proven speed-up, however, rely on their near-perfect execution. To close this gap we need to learn to efficiently protect quantum information from decoherence and to process it faultlessly. While the theory of quantum error correction was developed in the 1990’s, experimental exploration of error correcting codes has only recently become possible due to the stringent quantum hardware requirements. Furthermore, realizations using conventional surface code architectures result in a massive hardware overhead
requiring thousands of physical qubits per single logical qubit, which is considered a major obstacle towards practical quantum computing. To overcome this limitation, we will study multispecies concatenated architectures, in which every qubit is implemented as a hardware-efficient logical qubit tailored to its functional role. Such hardware-efficient logical qubits allow to detect and suppress the most frequent errors hardware-efficiently – promising a substantial reduction of the required size of an overarching code. Demonstrating quantum error correction in such multispecies and concatenated architectures, which we aim for in this project, would be a major breakthrough towards the realization of errorless superconducting quantum computers.