Gjennombrudd i kvanteuniversalportsett: En iToffoli-port med høy kvalitet

High-fidelity kvantelogiske porter brukt på kvantebiter (qubits) er de grunnleggende byggesteinene til programmerbare kvantekretser. Forskere ved Advanced Quantum Testbed (AQT) ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) gjennomførte den første eksperimentelle demonstrasjonen av en tre-qubit high-fidelity iToffoli native gate i en superledende kvanteinformasjonsprosessor og i et enkelt trinn.

Støyende mellomskala kvanteprosessorer støtter vanligvis én- eller to-qubits native porter, typene porter som kan implementeres direkte av maskinvare. Mer komplekse porter implementeres ved å dele dem opp i sekvenser av innfødte porter. Teamets demonstrasjon legger til en ny og robust innebygd tre-qubit iToffoli-port for universell kvantedatabehandling. Videre demonstrerte teamet en meget høy fidelity-operasjon av porten på 98,26 %. Teamets eksperimentelle gjennombrudd ble publisert i Naturfysikk dette kan.

Kvantelogiske porter, kvantekretser

Toffoli eller kontrollert-kontrollert-NOT (CCNOT) er en nøkkellogisk port i klassisk databehandling fordi den er universell, slik at den kan bygge alle logiske kretser for å beregne enhver ønsket binær operasjon. Videre er den reversibel, noe som gjør det mulig å bestemme og gjenopprette de binære inngangene (bitene) fra utgangene, slik at ingen informasjon går tapt.

I kvantekretser kan input-qubit være i en superposisjon av 0 og 1-tilstander. Qubiten er fysisk koblet til andre qubits i kretsen, noe som gjør det vanskeligere å implementere en high-fidelity kvanteport ettersom antallet qubits øker. Jo færre kvanteporter som trengs for å beregne en operasjon, desto kortere blir kvantekretsen, og derved forbedrer implementeringen av en algoritme før kvantebitene dekoherer og forårsaker feil i det endelige resultatet. Derfor er det kritisk å redusere kompleksiteten og kjøretiden til kvanteporter.

Sammen med Hadamard-porten danner Toffoli-porten et universelt kvanteportsett, som lar forskere kjøre hvilken som helst kvantealgoritme. Eksperimenter med implementering av multi-qubit-porter i viktige datateknologier – superledende kretser, fangede ioner og Rydberg-atomer – demonstrerte vellykket Toffoli-porter på tre-qubit-porter med troskap i gjennomsnitt mellom 87 % og 90 %. Slike demonstrasjoner krevde imidlertid at forskere delte opp Toffoli-portene i én- og to-qubit-porter, noe som gjorde portdriftstiden lengre og forringet deres troverdighet.

Å lage en port som er enkel å implementere

For å lage en tre-qubit-port som er enkel å implementere for eksperimentet, designet AQT en iToffoli-port i stedet for en konvensjonell Toffoli-port ved å påføre samtidige mikrobølgepulser festet på samme frekvens til tre superledende qubits i en lineær kjede.

Eksperimentet demonstrerte, på samme måte som Toffoli-porten, at denne tre-qubit iToffoli-porten kan brukes til å utføre universell kvanteberegning med høy kvalitet. Videre viste forskere at portene som er skjematiske på superledende kvanteprosessorer kan produsere ytterligere tre-qubit-porter, som gir mer effektiv portsyntese – prosessen med å dele opp kvanteporter i kortere for å forbedre kretsløpetidene.

Yosep Kim, en av de ledende forskerne i eksperimentet og tidligere postdoktor ved AQT, er for tiden seniorforsker ved Korea Institute of Science and Technology (Sør-Korea).

“Som et resultat av dekoherens vet vi at en lengre og mer kompleks portsekvens skader resultatenes troverdighet, så total portoperasjonstid for å utføre en viss algoritme er betydelig. Demonstrasjonen beviste at vi kan implementere en tre-qubit-port i ett trinn og redusere kretsdybden (lengden på sekvensen av porter) til en portsyntese. Videre, i motsetning til tidligere tilnærminger, inkluderer ikke portskjemaet vårt qubits høyere eksiterte tilstander som er utsatt for dekoherens, og resulterer derfor i en high-fidelity port “, sa Kim.

“Jeg er fortsatt svært imponert over enkelheten og trofastheten til denne iToffoli-porten. Nå kan bruk av en tre-qubit-operasjon som den i arbeidet øke hastigheten på utviklingen av kvanteapplikasjon og kvantefeilkorreksjon betydelig,” sa Alexis Morvan, en tidligere postdoktor ved AQT og for tiden forsker ved Google.

Utnytte et toppmoderne samarbeidsforskningslaboratorium

AQT er et state-of-the-art samarbeidsforskningslaboratorium for kvanteinformasjonsvitenskap finansiert av US Department of Energy Office of Science Advanced Scientific Computing Research-programmet. Laboratoriet driver en eksperimentell testbed med åpen tilgang designet for dypt samarbeid med Berkeley Lab-forskere og eksterne brukere fra akademia, nasjonale laboratorier og industri. Disse interaktive samarbeidene tillater bred utforskning av banebrytende vitenskap i AQTs superledende plattform som er avhengig av høykvalitets qubits, porter og feilreduksjon samtidig som de forbereder nye generasjoner av forskere på feltet.

“Jeg studerte kvanteinformasjonsvitenskap ved å bruke et fotonikksystem under doktorgraden min, så jeg hadde ikke god kunnskap til å gjennomføre eksperimentet i en superledende prosessor,” husket Kim. “Men fordi det eksperimentelle testbedet er så godt etablert og det er mange tverrfaglige kolleger som kjenner det indre arbeidet med oppsettet og samarbeidet i eksperimentet, klarte jeg å hoppe inn i eksperimentet veldig raskt uten mye tidligere erfaring. Hvis det ikke var for AQTs plattform og team, tror jeg ikke ideene mine ville blitt realisert på et så høyt nivå.”

“AQT gir forskere og brukere en fantastisk mulighet til å samarbeide med mennesker fra ulike bakgrunner og med varierte interesser. Dette iToffoli-prosjektet er et slikt eksempel på en krysspollinering av ideer. Så, i tillegg til ånden av vitenskapelig frihet ved AQT, arbeidet vårt ble også fremskyndet av den veletablerte infrastrukturen og konstante kalibreringen, noe som tillot oss å fokusere på fysikken i vårt spesifikke prosjekt uten å gå bort fra perifere oppgaver. Videre gjorde en avansert kontrollstabel oss i stand til å utforske alle mulige implementeringer for å etablere nye kvanteprotokoller ,” sa Long Nguyen, en nåværende postdoktor ved AQT.

Forskere håper at de eksperimentelle tilnærmingene for high-fidelity og lett-å-implementere multi-qubit-porter, slik som de som ble utforsket ved AQT, vil utløse ytterligere studier for å utvikle forskjellige multi-qubit-porter.qubit porter for ny kvanteinformasjonsbehandling.

---

---