High-fidelity kvantlogikgrindar applicerade på kvantbitar (qubits) är de grundläggande byggstenarna i programmerbara kvantkretsar. Forskare vid Advanced Quantum Testbed (AQT) vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) genomförde den första experimentella demonstrationen av en tre-qubit high-fidelity iToffoli native gate i en supraledande kvantinformationsprocessor och i ett enda steg.

Bullriga kvantprocessorer i mellanskalig skala stöder vanligtvis en- eller två-qubits inbyggda grindar, de typer av grindar som kan implementeras direkt av hårdvara. Mer komplexa grindar implementeras genom att dela upp dem i sekvenser av inhemska grindar. Teamets demonstration lägger till en ny och robust inbyggd tre-qubit iToffoli-grind för universell kvantberäkning. Dessutom visade teamet en mycket högtrogen drift av grinden på 98,26 %. Teamets experimentella genombrott publicerades i Nature Physics denna maj.

Kvantlogiska grindar, kvantkretsar

Toffoli eller den kontrollerade-kontrollerade-NOT (CCNOT) är en nyckellogisk grind i klassisk beräkning eftersom den är universell, så den kan bygga alla logiska kretsar för att beräkna vilken binär operation som helst. Dessutom är den reversibel, vilket möjliggör bestämning och återvinning av de binära ingångarna (bitarna) från utgångarna, så att ingen information går förlorad.

I kvantkretsar kan den ingående kvantbiten vara i en överlagring av 0- och 1-tillstånd. Qubiten är fysiskt ansluten till andra kvantbitar i kretsen, vilket gör det svårare att implementera en högfientlig kvantgrind när antalet kvantbitar ökar. Ju färre kvantgrindar som behövs för att beräkna en operation, desto kortare blir kvantkretsen, vilket förbättrar implementeringen av en algoritm innan kvantbitarna dekoherar och orsakar fel i slutresultatet. Därför är det viktigt att minska komplexiteten och körtiden för kvantportar.

Tillsammans med Hadamard-porten bildar Toffoli-porten en universell kvantportuppsättning, som gör det möjligt för forskare att köra vilken kvantalgoritm som helst. Experiment som implementerade multi-qubit-grindar i större datortekniker – supraledande kretsar, fångade joner och Rydberg-atomer – demonstrerade framgångsrikt Toffoli-grindar på tre-qubit-grindar med trovärdigheter på i genomsnitt mellan 87 % och 90 %. Sådana demonstrationer krävde dock att forskare delade upp Toffoli-grindarna i en- och två-qubit-grindar, vilket gjorde grindens drifttid längre och försämrade deras trohet.

Skapa en enkel att implementera grind

För att skapa en lättimplementerad tre-qubit-grind för experimentet designade AQT en iToffoli-grind istället för en konventionell Toffoli-grind med en fasrotation på "i" på den tredje (sista) qubiten genom att applicera samtidiga mikrovågspulser fixerade vid samma frekvens till tre supraledande qubits i en linjär kedja.

Experimentet visade, på samma sätt som Toffoli-porten, att denna tre-qubit iToffoli-grind kan användas för att utföra universell kvantberäkning med hög tillförlitlighet. Vidare visade forskare att grindarnas schematiska scheman på supraledande kvantprocessorer kunde producera ytterligare tre-qubit-grindar, vilket ger effektivare grindsyntes - processen att bryta upp kvantgrindar i kortare för att förbättra kretsens gångtider.

Yosep Kim, en av de ledande forskarna i experimentet och tidigare postdoc vid AQT, är för närvarande senior vetenskapsman vid Korea Institute of Science and Technology (Sydkorea).

"Som ett resultat av dekoherens vet vi att en längre och mer komplex grindsekvens skadar resultatens trohet, så den totala grindens drifttid för att exekvera en viss algoritm är betydande. Demonstrationen visade att vi kan implementera en tre-qubit-grind i ett steg och minska kretsdjupet (längden på sekvensen av grindar) för en grindsyntes. Dessutom, till skillnad från tidigare tillvägagångssätt, inkluderar vårt grindschema inte qubitens högre exciterade tillstånd som är benägna att dekoherens, vilket därför resulterar i en högfientlig grind ", sa Kim.

"Jag är fortfarande mycket imponerad av enkelheten och troheten hos denna iToffoli-port. Nu kan en tre-qubit-operation som den i arbetet påskynda utvecklingen av kvantapplikationer och kvantfelskorrigering avsevärt", säger Alexis Morvan, tidigare postdoc vid AQT och för närvarande forskare på Google.

Utnyttja ett toppmodernt kollaborativt forskningslabb

AQT är ett toppmodernt kollaborativt forskningslaboratorium för kvantinformationsvetenskap finansierat av U.S. Department of Energy Office of Science Advanced Scientific Computing Research-programmet. Laboratoriet driver en experimentell testbädd med öppen tillgång utformad för djupgående samarbete med Berkeley Lab-forskare och externa användare från akademin, nationella laboratorier och industrin. Dessa interaktiva samarbeten tillåter bred utforskning av banbrytande vetenskap i AQT:s supraledande plattform som bygger på högkvalitativa qubits, grindar och felreducering samtidigt som de förbereder nya generationer av forskare inom området.

"Jag studerade kvantinformationsvetenskap med hjälp av ett fotoniksystem under min doktorsexamen, så jag hade inte en bra kunskap för att genomföra experimentet i en supraledande processor," mindes Kim. "Men eftersom den experimentella testbädden är så väletablerad och det finns många tvärvetenskapliga kollegor som känner till uppläggets inre funktioner och samarbetade i experimentet, kunde jag hoppa in i experimentet mycket snabbt utan mycket tidigare erfarenhet. Om det inte vore det. för AQT:s plattform och team tror jag inte att mina idéer skulle ha förverkligats på en så hög nivå."

"AQT ger forskare och användare en fantastisk möjlighet att samarbeta med människor från olika bakgrunder och med olika intressen. Detta iToffoli-projekt är ett sådant exempel på en korspollinering av idéer. Så, förutom andan av vetenskaplig frihet vid AQT, vårt arbete påskyndades också av den väletablerade infrastrukturen och ständiga kalibreringen, vilket gjorde det möjligt för oss att fokusera på fysiken i vårt specifika projekt utan att avvika från perifera uppgifter. Dessutom gjorde en avancerad kontrollstack det möjligt för oss att utforska alla möjliga implementeringar för att etablera nya kvantprotokoll ", sa Long Nguyen, en nuvarande postdoc vid AQT.

Forskare hoppas att de experimentella tillvägagångssätten för high-fidelity och lätta att implementera multi-qubit-grindar, som de som utforskats vid AQT, kommer att utlösa ytterligare studier för att utveckla olika multi-qubit-grindar för ny kvantinformationsbehandling. + Utforska vidare

Demonstrerade experimentellt en toffoli-grind i ett halvledarsystem med tre kvbitar