Gennembrud i kvante-universelle gatesæt:En iToffoli-port i høj kvalitet

High-fidelity kvantelogiske porte anvendt på kvantebits (qubits) er de grundlæggende byggesten i programmerbare kvantekredsløb. Forskere ved Advanced Quantum Testbed (AQT) ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) udførte den første eksperimentelle demonstration af en tre-qubit high-fidelity iToffoli native gate i en superledende kvanteinformationsprocessor og i et enkelt trin.

Støjende mellemskala kvanteprocessorer understøtter typisk en- eller to-qubit native gates, de typer porte, der kan implementeres direkte af hardware. Mere komplekse porte implementeres ved at opdele dem i sekvenser af indfødte porte. Holdets demonstration tilføjer en ny og robust native tre-qubit iToffoli-gate til universel kvanteberegning. Ydermere demonstrerede holdet en meget høj fidelity-betjening af porten på 98,26 %. Holdets eksperimentelle gennembrud blev offentliggjort i Nature Physics denne maj.

Kvantelogiske porte, kvantekredsløb

Toffolien eller den kontrollerede-kontrollerede-NOT (CCNOT) er en nøglelogisk port i klassisk databehandling, fordi den er universel, så den kan bygge alle logiske kredsløb til at beregne enhver ønsket binær operation. Ydermere er den reversibel, hvilket tillader bestemmelse og gendannelse af de binære input (bits) fra udgangene, så ingen information går tabt.

I kvantekredsløb kan input qubit være i en superposition af 0 og 1 tilstande. Qubitten er fysisk forbundet med andre qubits i kredsløbet, hvilket gør det sværere at implementere en high-fidelity kvanteport, efterhånden som antallet af qubits stiger. Jo færre kvanteporte, der er nødvendige for at beregne en operation, jo kortere er kvantekredsløbet, hvilket forbedrer implementeringen af ​​en algoritme, før qubits dekoherer, hvilket forårsager fejl i det endelige resultat. Derfor er det afgørende at reducere kompleksiteten og køretiden for kvanteporte.

Sammen med Hadamard-porten danner Toffoli-porten et universelt kvanteportsæt, som gør det muligt for forskere at køre enhver kvantealgoritme. Eksperimenter, der implementerede multi-qubit-gates i større computerteknologier – superledende kredsløb, fangede ioner og Rydberg-atomer – demonstrerede succesfuldt Toffoli-gates på tre-qubit-gates med en gengivelse på i gennemsnit mellem 87 % og 90 %. Sådanne demonstrationer krævede imidlertid, at forskere opdelte Toffoli-portene i én- og to-qubit-porte, hvilket gjorde portdriftstiden længere og forringede deres troskab.

Oprettelse af en port, der er nem at implementere

For at skabe en tre-qubit-gate, der er nem at implementere til eksperimentet, designede AQT en iToffoli-gate i stedet for en konventionel Toffoli-gate med en faserotation på "i" på den tredje (sidste) qubit ved at anvende samtidige mikrobølgeimpulser, der er fastgjort til samme frekvens til tre superledende qubits i en lineær kæde.

Eksperimentet viste, ligesom Toffoli-porten, at denne tre-qubit iToffoli-gate kan bruges til at udføre universel kvanteberegning med høj kvalitet. Ydermere viste forskere, at de skematiske porte på superledende kvanteprocessorer kunne producere yderligere tre-qubit porte, som giver mere effektiv portsyntese - processen med at opdele kvanteporte i kortere for at forbedre kredsløbsdriftstiderne.

Yosep Kim, en af ​​de førende forskere i eksperimentet og tidligere postdoc ved AQT, er i øjeblikket seniorforsker ved Korea Institute of Science and Technology (Sydkorea).

"Som et resultat af dekohærens ved vi, at en længere og mere kompleks gatesekvens skader resultaternes pålidelighed, så den samlede gatedriftstid til at udføre en bestemt algoritme er betydelig. Demonstrationen viste, at vi kan implementere en tre-qubit-gate i et trin og reducere kredsløbsdybden (længden af ​​sekvensen af ​​porte) af en gate-syntese. Ydermere, i modsætning til tidligere tilgange, inkluderer vores gate-skema ikke qubit'ens højere exciterede tilstande, der er tilbøjelige til dekohærens, hvilket resulterer i en high-fidelity gate " sagde Kim.

"Jeg er stadig meget imponeret over enkelheden og troværdigheden af ​​denne iToffoli-port. Nu kan brugen af ​​en tre-qubit-operation som den i arbejdet markant fremskynde udviklingen af ​​kvanteapplikation og kvantefejlkorrektion," sagde Alexis Morvan, tidligere postdoc ved AQT og i øjeblikket forsker hos Google.

Udnyttelse af et state-of-the-art samarbejdende forskningslaboratorium

AQT er et state-of-the-art samarbejdende forskningslaboratorium for kvanteinformationsvidenskab finansieret af det amerikanske Department of Energy Office of Science Advanced Scientific Computing Research-program. Laboratoriet driver en åben-adgang eksperimentel testbed designet til dybt samarbejde med Berkeley Lab-forskere og eksterne brugere fra den akademiske verden, National Laboratories og industrien. Disse interaktive samarbejder tillader bred udforskning af banebrydende videnskab i AQT's superledende platform, der er afhængig af højkvalitets qubits, gates og fejlreduktion, mens de samtidig forbereder nye generationer af forskere på området.

"Jeg studerede kvanteinformationsvidenskab ved hjælp af et fotoniksystem under min doktorgrad, så jeg havde ikke en god viden til at udføre eksperimentet i en superledende processor," huskede Kim. "Men fordi det eksperimentelle testbed er så veletableret, og der er mange tværfaglige kollegaer, som kender den indre funktion af opsætningen og samarbejdede i eksperimentet, kunne jeg springe ud i eksperimentet meget hurtigt uden megen tidligere erfaring. Hvis det ikke var tilfældet. for AQTs platform og team tror jeg ikke, at mine ideer ville være blevet realiseret på så højt et niveau."

"AQT giver forskere og brugere en fantastisk mulighed for at samarbejde med mennesker fra forskellige baggrunde og med forskellige interesser. Dette iToffoli-projekt er et sådant eksempel på en krydsbestøvning af ideer. Så ud over ånden af ​​videnskabelig frihed hos AQT, vores arbejde blev også fremskyndet af den veletablerede infrastruktur og konstante kalibrering, hvilket gjorde det muligt for os at fokusere på fysikken i vores specifikke projekt uden at gå på opdagelse i perifere opgaver. Ydermere gjorde en avanceret kontrolstak os i stand til at udforske alle mulige implementeringer for at etablere nye kvanteprotokoller ," sagde Long Nguyen, en nuværende postdoc ved AQT.

Forskere håber, at de eksperimentelle tilgange til high-fidelity og let-at-implementere multi-qubit-porte, som dem, der blev udforsket ved AQT, vil udløse yderligere undersøgelser for at udtænke forskellige multi-qubit-porte til ny kvanteinformationsbehandling. + Udforsk yderligere

Eksperimentelt demonstreret en toffoli-gate i et halvleder tre-qubit-system