Durchbruch bei universellen Quanten-Gate-Sets: Ein High-Fidelity-iToffoli-Gate

High-Fidelity-Quantenlogikgatter, die auf Quantenbits (Qubits) angewendet werden, sind die Grundbausteine ​​programmierbarer Quantenschaltkreise. Forscher des Advanced Quantum Testbed (AQT) am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) führten die erste experimentelle Demonstration eines iToffoli-Gatters mit hoher Wiedergabetreue und drei Qubits in einem supraleitenden Quanteninformationsprozessor und in einem einzigen Schritt durch.

Rauschende Quantenprozessoren mittlerer Größe unterstützen typischerweise native Ein- oder Zwei-Qubit-Gatter, die Arten von Gattern, die direkt durch Hardware implementiert werden können. Komplexere Gates werden implementiert, indem sie in Sequenzen nativer Gates zerlegt werden. Die Demonstration des Teams fügt ein neuartiges und robustes natives Drei-Qubit-iToffoli-Gate für universelles Quantencomputing hinzu. Darüber hinaus demonstrierte das Team mit 98,26 % einen Betrieb des Gates mit sehr hoher Wiedergabetreue. Der experimentelle Durchbruch des Teams wurde in veröffentlicht Naturphysik das vielleicht.

Quantenlogikgatter, Quantenschaltkreise

Das Toffoli oder Controlled-Controlled-NOT (CCNOT) ist ein wichtiges logisches Gatter im klassischen Rechnen, weil es universell ist, sodass es alle Logikschaltungen aufbauen kann, um jede gewünschte binäre Operation zu berechnen. Darüber hinaus ist es umkehrbar, was die Bestimmung und Wiederherstellung der binären Eingänge (Bits) von den Ausgängen ermöglicht, sodass keine Informationen verloren gehen.

In Quantenschaltkreisen kann sich das Eingangs-Qubit in einer Überlagerung von 0- und 1-Zuständen befinden. Das Qubit ist physisch mit anderen Qubits in der Schaltung verbunden, was es schwieriger macht, ein High-Fidelity-Quantengatter zu implementieren, wenn die Anzahl der Qubits zunimmt. Je weniger Quantengatter zur Berechnung einer Operation benötigt werden, desto kürzer ist die Quantenschaltung, wodurch die Implementierung eines Algorithmus verbessert wird, bevor die Qubits dekohären und Fehler im Endergebnis verursachen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Komplexität und Laufzeit von Quantengattern zu reduzieren.

Zusammen mit dem Hadamard-Gatter bildet das Toffoli-Gatter einen universellen Quanten-Gate-Satz, der es Forschern ermöglicht, jeden beliebigen Quantenalgorithmus auszuführen. Experimente zur Implementierung von Multi-Qubit-Gattern in wichtigen Computertechnologien – supraleitende Schaltkreise, gefangene Ionen und Rydberg-Atome – demonstrierten erfolgreich Toffoli-Gatter auf Drei-Qubit-Gattern mit durchschnittlichen Genauigkeiten zwischen 87 % und 90 %. Solche Demonstrationen erforderten jedoch, dass die Forscher die Toffoli-Gatter in Ein- und Zwei-Qubit-Gatter aufteilten, was die Betriebszeit des Gates verlängerte und ihre Wiedergabetreue beeinträchtigte.

Erstellen eines einfach zu implementierenden Gates

Um ein einfach zu implementierendes Drei-Qubit-Gatter für das Experiment zu erstellen, entwarf AQT ein iToffoli-Gatter anstelle eines herkömmlichen Toffoli-Gatters, indem simultane Mikrowellenimpulse mit fester Frequenz auf drei supraleitende Qubits in einer linearen Kette angewendet wurden.

Das Experiment zeigte, ähnlich wie das Toffoli-Gatter, dass dieses Drei-Qubit-iToffoli-Gatter verwendet werden kann, um universelle Quantenberechnungen mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass das Gate-Schema auf supraleitenden Quantenprozessoren zusätzliche Drei-Qubit-Gates erzeugen könnte, die eine effizientere Gate-Synthese ermöglichen – der Prozess des Aufbrechens von Quanten-Gates in kürzere, um die Laufzeiten von Schaltungen zu verbessern.

Yosep Kim, einer der führenden Forscher des Experiments und ehemaliger Postdoc am AQT, ist derzeit leitender Wissenschaftler am Korea Institute of Science and Technology (Südkorea).

„Als Ergebnis der Dekohärenz wissen wir, dass eine längere und komplexere Gattersequenz die Genauigkeit der Ergebnisse beeinträchtigt, so dass die Gesamtzeit des Gatterbetriebs zum Ausführen eines bestimmten Algorithmus erheblich ist. Die Demonstration hat bewiesen, dass wir ein Drei-Qubit-Gatter implementieren können einen Schritt und reduzieren die Schaltungstiefe (die Länge der Gattersequenz) einer Gattersynthese Darüber hinaus enthält unser Gatterschema im Gegensatz zu früheren Ansätzen nicht die höher angeregten Zustände des Qubits, die anfällig für Dekohärenz sind, was zu einem High-Fidelity-Gatter führt “, sagte Kim.

„Ich bin immer noch sehr beeindruckt von der Einfachheit und Genauigkeit dieses iToffoli-Gatters. Jetzt kann die Verwendung einer Drei-Qubit-Operation wie der in der Arbeit die Entwicklung von Quantenanwendungen und Quantenfehlerkorrektur erheblich beschleunigen“, sagte Alexis Morvan, ehemaliger Postdoc bei AQT und derzeit wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Google.

Nutzung eines hochmodernen kollaborativen Forschungslabors

AQT ist ein hochmodernes gemeinschaftliches Forschungslabor für Quanteninformationswissenschaft, das vom US Department of Energy Office of Science Advanced Scientific Computing Research Program finanziert wird. Das Labor betreibt eine frei zugängliches experimentelles Testbed entwickelt für eine enge Zusammenarbeit mit Forschern des Berkeley Lab und externen Benutzern aus der Wissenschaft, den National Laboratories und der Industrie. Diese interaktiven Kooperationen ermöglichen eine breite Erforschung der Spitzenwissenschaft in der supraleitenden Plattform von AQT, die sich auf hochwertige Qubits, Gates und Fehlerminderung stützt, während gleichzeitig neue Generationen von Forschern auf diesem Gebiet vorbereitet werden.

„Ich habe während meiner Promotion Quanteninformatik mit einem Photoniksystem studiert, daher hatte ich keine guten Kenntnisse, um das Experiment in einem supraleitenden Prozessor durchzuführen“, erinnert sich Kim. „Aber weil das experimentelle Testbed so gut etabliert ist und es viele interdisziplinäre Kollegen gibt, die das Innenleben des Aufbaus kennen und am Experiment mitgearbeitet haben, konnte ich ohne große Vorerfahrung sehr schnell in das Experiment einsteigen. Wenn nicht für die Plattform und das Team von AQT glaube ich nicht, dass meine Ideen auf einem so hohen Niveau verwirklicht worden wären.“

„AQT bietet Forschern und Benutzern eine fantastische Gelegenheit, mit Menschen mit unterschiedlichem Hintergrund und unterschiedlichen Interessen zusammenzuarbeiten. Dieses iToffoli-Projekt ist ein solches Beispiel für eine gegenseitige Befruchtung von Ideen. Neben dem Geist der wissenschaftlichen Freiheit bei AQT, Unsere Arbeit wurde auch durch die gut etablierte Infrastruktur und die ständige Kalibrierung beschleunigt, die es uns ermöglichte, uns auf die Physik unseres spezifischen Projekts zu konzentrieren, ohne von peripheren Aufgaben abzuschweifen.Darüber hinaus ermöglichte uns ein fortschrittlicher Steuerungsstack, alle möglichen Implementierungen zu untersuchen, um neuartige Quantenprotokolle zu etablieren “, sagte Long Nguyen, derzeit Postdoc bei AQT.

Die Forscher hoffen, dass die experimentellen Ansätze für High-Fidelity- und einfach zu implementierende Multi-Qubit-Gatter, wie sie bei AQT erforscht werden, weitere Studien auslösen werden, um verschiedene Multi-Qubit-Gatter für die neuartige Quanteninformationsverarbeitung zu entwickeln.