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Quantum error correction below the surface code threshold

编码(集合论) 错误检测和纠正 曲面(拓扑) 量子 计算机科学 算法 数学 物理 量子力学 程序设计语言 几何学 集合(抽象数据类型)
作者
Rajeev Acharya,Laleh Aghababaie-Beni,I. L. Aleǐner,Trond I. Andersen,M. Ansmann,Frank Arute,Kunal Arya,Abraham Asfaw,Nikita Astrakhantsev,Juan Atalaya,Ryan Babbush,Dave Bacon,Brian Ballard,Joseph C. Bardin,Johannes Bausch,Andreas Bengtsson,Alexander Bilmes,Sam Blackwell,Sergio Boixo,Gina Bortoli
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:3
标识
DOI:10.48550/arxiv.2408.13687
摘要

Quantum error correction provides a path to reach practical quantum computing by combining multiple physical qubits into a logical qubit, where the logical error rate is suppressed exponentially as more qubits are added. However, this exponential suppression only occurs if the physical error rate is below a critical threshold. In this work, we present two surface code memories operating below this threshold: a distance-7 code and a distance-5 code integrated with a real-time decoder. The logical error rate of our larger quantum memory is suppressed by a factor of $\Lambda$ = 2.14 $\pm$ 0.02 when increasing the code distance by two, culminating in a 101-qubit distance-7 code with 0.143% $\pm$ 0.003% error per cycle of error correction. This logical memory is also beyond break-even, exceeding its best physical qubit's lifetime by a factor of 2.4 $\pm$ 0.3. We maintain below-threshold performance when decoding in real time, achieving an average decoder latency of 63 $\mu$s at distance-5 up to a million cycles, with a cycle time of 1.1 $\mu$s. To probe the limits of our error-correction performance, we run repetition codes up to distance-29 and find that logical performance is limited by rare correlated error events occurring approximately once every hour, or 3 $\times$ 10$^9$ cycles. Our results present device performance that, if scaled, could realize the operational requirements of large scale fault-tolerant quantum algorithms.
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