Пробив в квантовите универсални комплекти порти: Порта iToffoli с висока прецизност


Пробив в квантовите универсални комплекти порти: Порта iToffoli с висока точност

Експериментална схема на портата iToffoli с висока точност в Advanced Quantum Testbed. Кредит: Йосеп Ким / Berkeley Lab

Висококачествените квантови логически порти, приложени към квантови битове (кубити), са основните градивни елементи на програмируемите квантови схеми. Изследователи от Advanced Quantum Testbed (AQT) в Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (Berkeley Lab) проведоха първата експериментална демонстрация на трикубитов висококачествен iToffoli роден порт в свръхпроводящ квантов информационен процесор и в една стъпка.

Шумните средномащабни квантови процесори обикновено поддържат едно- или двукубитови нативни порти, типовете порти, които могат да бъдат внедрени директно от хардуер. По-сложните порти се реализират, като се разделят на последователности от естествени порти. Демонстрацията на екипа добавя нов и здрав естествен трикубитов iToffoli порт за универсални квантови изчисления. Освен това екипът демонстрира много висока точност на работата на портата при 98,26%. Експерименталният пробив на екипа е публикуван в Физика на природата този май.

Квантови логически врати, квантови схеми

Toffoli или контролирано-контролирано-НЕ (CCNOT) е ключов логически порт в класическите изчисления, тъй като е универсален, така че може да изгради всички логически схеми за изчисляване на всяка желана двоична операция. Освен това, той е обратим, което позволява определянето и възстановяването на двоичните входове (битове) от изходите, така че не се губи информация.

В квантовите вериги входният кубит може да бъде в суперпозиция от 0 и 1 състояния. Кубитът е физически свързан с други кубити във веригата, което прави по-трудно прилагането на квантов гейт с висока точност с увеличаване на броя на кубитите. Колкото по-малко квантови порти са необходими за изчисляване на операция, толкова по-къса е квантовата верига, като по този начин се подобрява изпълнението на алгоритъм преди кубитите да се декохерират, причинявайки грешки в крайния резултат. Следователно, намаляването на сложността и времето за работа на квантовите порти е от решаващо значение.

В тандем с портата на Адамар, портата Toffoli образува универсален набор от квантови врати, който позволява на изследователите да изпълняват всеки квантов алгоритъм. Експерименти, внедряващи многокубитови порти в основните изчислителни технологии – свръхпроводящи вериги, уловени йони и атоми на Ридберг – успешно демонстрираха портите на Тофоли на трикубитови врати със средна точност между 87% и 90%. Въпреки това, подобни демонстрации изискват от изследователите да разбият портите Toffoli на порти с един и два кубита, което прави времето за работа на портата по-дълго и влошава тяхната вярност.

Пробив в квантовите универсални комплекти порти: Порта iToffoli с висока точност

Изследователят Йосеп Ким по време на предварителното инсталиране на свръхпроводящия QPU за експеримента в Advanced Quantum Testbed. Кредит: Йосеп Ким / Berkeley Lab

Създаване на лесна за изпълнение порта

За да създаде лесен за прилагане трикубитен гейт за експеримента, AQT проектира iToffoli гейт вместо конвенционален Toffoli гейт чрез прилагане на едновременни микровълнови импулси, фиксирани със същата честота към три свръхпроводящи кубита в линейна верига.

Експериментът демонстрира, подобно на портата Toffoli, че тази трикубитова порта iToffoli може да се използва за извършване на универсално квантово изчисление с висока прецизност. Освен това, изследователите показаха, че схематичните порти на свръхпроводящи квантови процесори могат да произвеждат допълнителни трикубитови порти, които осигуряват по-ефективен синтез на порти – процесът на разбиване на квантовите порти на по-къси, за да се подобри времето за работа на веригата.

Йосеп Ким, един от водещите изследователи в експеримента и бивш постдок в AQT, в момента е старши учен в Корейския институт за наука и технологии (Южна Корея).

„В резултат на декохерентността ние знаем, че по-дългата и по-сложна последователност на портата вреди на верността на резултатите, така че общото време за работа на порта за изпълнение на определен алгоритъм е значително. Демонстрацията доказа, че можем да внедрим трикубитов гейт в една стъпка и намалете дълбочината на веригата (дължината на последователността от врати) на синтеза на порта.Освен това, за разлика от предишните подходи, нашата схема на порта не включва по-високите възбудени състояния на кубита, склонни към декохерентност, което води до порта с висока точност “, каза Ким.

„Все още съм силно впечатлен от простотата и прецизността на тази порта iToffoli. Сега използването на трикубитова операция като тази в работата може значително да ускори разработването на квантово приложение и квантовата корекция на грешки“, каза Алексис Морван, бивш постдок в AQT и понастоящем изследовател в Google.

Пробив в квантовите универсални комплекти порти: Порта iToffoli с висока точност

Изследователят Йосеп Ким проверява високоточната работа на iToffoli gate в Advanced Quantum Testbed. Кредит: Йосеп Ким / Berkeley Lab

Използване на най-съвременна лаборатория за съвместни изследвания

AQT е най-съвременна съвместна изследователска лаборатория за квантова информационна наука, финансирана от Програмата за напреднали научни изследвания в областта на науката на Министерството на енергетиката на САЩ. Лабораторията работи и експериментален стенд с отворен достъп проектиран за дълбоко сътрудничество с изследователи от лабораторията на Бъркли и външни потребители от академичните среди, националните лаборатории и индустрията. Тези интерактивни сътрудничества позволяват широко изследване на авангардна наука в свръхпроводящата платформа на AQT, която разчита на висококачествени кубити, порти и смекчаване на грешки, като същевременно подготвя нови поколения изследователи в тази област.

“Учих квантова информационна наука използвайки фотонна система по време на моя докторантура, така че нямах добри познания за провеждане на експеримента в свръхпроводящ процесор”, спомня си Ким. “Но тъй като експерименталната тестова стенда е толкова добре установена и има много интердисциплинарни колеги, които познават вътрешната работата на настройката и като сътрудничих в експеримента, успях да се впусна в експеримента много бързо без много предишен опит. Ако не бяха платформата и екипът на AQT, не мисля, че идеите ми щяха да бъдат реализирани на толкова високо ниво.”

„AQT предоставя на изследователите и потребителите фантастична възможност да си сътрудничат с хора, идващи от различни среди и с различни интереси. Този проект iToffoli е един такъв пример за кръстосано опрашване на идеи. Така че, в допълнение към духа на научната свобода в AQT, нашата работа също беше ускорена от добре установената инфраструктура и постоянното калибриране, което ни позволява да се фокусираме върху физиката на нашия конкретен проект, без да се отклоняваме от периферните задачи. Освен това, усъвършенстваният контролен стек ни позволи да проучим всички възможни реализации за създаване на нови квантови протоколи “, каза Лонг Нгуен, настоящ постдок в AQT.

Изследователите се надяват, че експерименталните подходи за висококачествени и лесни за прилагане многокубитни порти, като тези, изследвани в AQT, ще предизвикат по-нататъшни проучвания за разработване на различни мулти-кубитникубит порти за нова квантова обработка на информация.


Експериментално демонстриран тофолен гейт в полупроводникова трикубитова система


Повече информация:
Йосеп Ким и др., Висококачествен трикубитен iToffoli гейт за свръхпроводящи кубити с фиксирана честота, Физика на природата (2022 г.). DOI: 10.1038 / s41567-022-01590-3. www.nature.com/articles/s41567-022-01590-3

Цитат: Пробив в квантовите универсални гейт набори: Порта iToffoli с висока точност (2022 г., 24 май), извлечена на 24 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-breakthrough-quantum-universal-gate-high-fidelity .html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.