High-fidelity kwantumlogica-poorten toegepast op kwantumbits (qubits) zijn de basisbouwstenen van programmeerbare kwantumcircuits. Onderzoekers van het Advanced Quantum Testbed (AQT) van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) voerden de eerste experimentele demonstratie uit van een drie-qubit high-fidelity iToffoli native poort in een supergeleidende kwantuminformatieprocessor en in een enkele stap.

Lawaaierige kwantumprocessors op middellange schaal ondersteunen doorgaans native poorten van één of twee qubits, de typen poorten die rechtstreeks door hardware kunnen worden geïmplementeerd. Complexere poorten worden geïmplementeerd door ze op te splitsen in reeksen van inheemse poorten. De demonstratie van het team voegt een nieuwe en robuuste native drie-qubit iToffoli-poort toe voor universele quantum computing. Bovendien demonstreerde het team met 98,26% een zeer betrouwbare werking van de poort. De experimentele doorbraak van het team werd gepubliceerd in Nature Physics dit zou.

Kwantumlogische poorten, kwantumschakelingen

De Toffoli of de gecontroleerd-gecontroleerde-NIET (CCNOT) is een belangrijke logische poort in klassiek computergebruik omdat het universeel is, zodat het alle logische circuits kan bouwen om elke gewenste binaire bewerking te berekenen. Bovendien is het omkeerbaar, waardoor de binaire ingangen (bits) van de uitgangen kunnen worden bepaald en hersteld, zodat er geen informatie verloren gaat.

In kwantumcircuits kan de invoerqubit zich in een superpositie van 0 en 1 bevinden. De qubit is fysiek verbonden met andere qubits in het circuit, wat het moeilijker maakt om een ​​high-fidelity kwantumpoort te implementeren naarmate het aantal qubits toeneemt. Hoe minder kwantumpoorten nodig zijn om een ​​bewerking te berekenen, hoe korter het kwantumcircuit, waardoor de implementatie van een algoritme wordt verbeterd voordat de qubits decoheren en fouten in het eindresultaat veroorzaken. Daarom is het van cruciaal belang om de complexiteit en looptijd van kwantumpoorten te verminderen.

Samen met de Hadamard-poort vormt de Toffoli-poort een universele kwantumpoortset, waarmee onderzoekers elk kwantumalgoritme kunnen uitvoeren. Experimenten die multi-qubit-poorten implementeren in belangrijke computertechnologieën - supergeleidende circuits, ingesloten ionen en Rydberg-atomen - hebben met succes Toffoli-poorten aangetoond op drie-qubit-poorten met getrouwheden van gemiddeld tussen 87% en 90%. Voor dergelijke demonstraties moesten onderzoekers echter de Toffoli-poorten opsplitsen in poorten van één en twee qubits, waardoor de werkingstijd van de poort langer werd en hun betrouwbaarheid verslechterde.

Een eenvoudig te implementeren poort maken

Om een ​​eenvoudig te implementeren poort met drie qubits voor het experiment te creëren, ontwierp AQT een iToffoli-poort in plaats van een conventionele Toffoli-poort met een faserotatie van "i" op de derde (laatste) qubit door gelijktijdige microgolfpulsen toe te passen die op de dezelfde frequentie tot drie supergeleidende qubits in een lineaire keten.

Het experiment toonde, net als de Toffoli-poort, aan dat deze drie-qubit iToffoli-poort kan worden gebruikt om universele kwantumberekeningen met hoge betrouwbaarheid uit te voeren. Bovendien toonden onderzoekers aan dat het poortschema op supergeleidende kwantumprocessors extra drie-qubit-poorten zou kunnen produceren, die een efficiëntere poortsynthese bieden - het proces van het opsplitsen van kwantumpoorten in kortere om de looptijden van het circuit te verbeteren.

Yosep Kim, een van de leidende onderzoekers in het experiment en voormalig postdoc bij AQT, is momenteel senior wetenschapper bij het Korea Institute of Science and Technology (Zuid-Korea).

"Als gevolg van decoherentie weten we dat een langere en complexere poortsequentie de betrouwbaarheid van de resultaten schaadt, dus de totale poortoperatietijd om een ​​bepaald algoritme uit te voeren is aanzienlijk. De demonstratie bewees dat we een drie-qubit-poort kunnen implementeren in een stap en verminder de circuitdiepte (de lengte van de reeks poorten) van een poortsynthese Bovendien, in tegenstelling tot eerdere benaderingen, omvat ons poortschema niet de hogere aangeslagen toestanden van de qubit die vatbaar zijn voor decoherentie, wat resulteert in een high-fidelity poort ’, zei Kim.

"Ik ben nog steeds erg onder de indruk van de eenvoud en de betrouwbaarheid van deze iToffoli-poort. Nu kan het gebruik van een drie-qubit-bewerking zoals die in het werk de ontwikkeling van kwantumtoepassing en kwantumfoutcorrectie aanzienlijk versnellen", aldus Alexis Morvan, een voormalig postdoc bij AQT en momenteel een onderzoekswetenschapper bij Google.

Gebruikmaken van een state-of-the-art collaboratief onderzoekslaboratorium

AQT is een state-of-the-art collaboratief onderzoekslaboratorium voor kwantuminformatiewetenschap, gefinancierd door het Amerikaanse Department of Energy Office of Science Advanced Scientific Computing Research-programma. Het laboratorium exploiteert een open-access experimenteel testbed dat is ontworpen voor diepgaande samenwerking met Berkeley Lab-onderzoekers en externe gebruikers uit de academische wereld, nationale laboratoria en de industrie. Deze interactieve samenwerkingen maken een brede verkenning van geavanceerde wetenschap mogelijk in het supergeleidende platform van AQT dat vertrouwt op hoogwaardige qubits, poorten en foutbeperking, terwijl tegelijkertijd nieuwe generaties onderzoekers in het veld worden voorbereid.

"Tijdens mijn doctoraat heb ik kwantuminformatiewetenschap gestudeerd met behulp van een fotonicasysteem, dus ik had geen goede kennis om het experiment in een supergeleidende processor uit te voeren", herinnert Kim zich. "Maar omdat het experimentele testbed zo goed ingeburgerd is en er veel interdisciplinaire collega's zijn die de innerlijke werking van de opstelling kennen en aan het experiment hebben meegewerkt, kon ik heel snel in het experiment springen zonder veel eerdere ervaring. Als het niet zo was voor het platform en het team van AQT denk ik niet dat mijn ideeën op zo'n hoog niveau zouden zijn gerealiseerd."

"AQT biedt onderzoekers en gebruikers een fantastische kans om samen te werken met mensen met verschillende achtergronden en met verschillende interesses. Dit iToffoli-project is zo'n voorbeeld van een kruisbestuiving van ideeën. Dus, naast de geest van wetenschappelijke vrijheid bij AQT, ons werk werd ook versneld door de gevestigde infrastructuur en constante kalibratie, waardoor we ons konden concentreren op de fysica van ons specifieke project zonder af te dwalen op perifere taken.Bovendien stelde een geavanceerde controle-stack ons ​​in staat om alle mogelijke implementaties te verkennen om nieuwe kwantumprotocollen vast te stellen ', zegt Long Nguyen, een huidige postdoc bij AQT.

Onderzoekers hopen dat de experimentele benaderingen voor high-fidelity en eenvoudig te implementeren multi-qubit-poorten, zoals die onderzocht bij AQT, verdere studies zullen aanzetten om verschillende multi-qubit-poorten te bedenken voor nieuwe kwantuminformatieverwerking. + Verder verkennen

Experimenteel een toffoli-poort gedemonstreerd in een halfgeleider drie-qubitsysteem