Science >> Wetenschap >  >> Natuurkunde

Een logische magische toestand met betrouwbaarheid voorbij de destillatiedrempel, gerealiseerd op een supergeleidende kwantumprocessor

Willekeurig logische statusvoorbereidingsprotocol. Bovenste paneel:De oppervlaktecode is verdeeld in 5 regio's, de centrale dataqubit, regio's I, II, III en IV. De logische operatoren Z ̂_L en X ̂_L kruisen elkaar bij de centrale dataqubits. Onderpaneel:het circuit van het protocol. Alle qubits worden aan het begin van het circuit gereset naar de status ├ ├|0┤⟩. Vervolgens worden de dataqubits in de regio's I en III voorbereid op ├ ├|+┤⟩ door de Hadamard-poort, en wordt de centrale dataqubit voorbereid op de doelstatus ├ ├|ψ┤⟩ door rotatiepoorten. Daarna wordt één ronde van oppervlaktecodecyclus toegepast, waarbij de status van de dataqubits in de logische toestandsruimte wordt geprojecteerd. Credit:Yangsen Ye et al.

Kwantumcomputers hebben het potentieel om bij sommige taken beter te presteren dan conventionele computers, waaronder complexe optimalisatieproblemen. Kwantumcomputers zijn echter ook kwetsbaar voor ruis, wat tot rekenfouten kan leiden.



Ingenieurs hebben geprobeerd fouttolerante kwantumcomputerbenaderingen te bedenken die beter bestand zijn tegen ruis en dus robuuster kunnen worden opgeschaald. Een veelgebruikte aanpak om fouttolerantie te bereiken is het voorbereiden van magische toestanden, waarbij zogenaamde niet-Clifford-poorten worden geïntroduceerd.

Onderzoekers van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, het Henan Key Laboratory of Quantum Information and Cryptography en het Hefei National Laboratory hebben onlangs de voorbereiding aangetoond van een logische magische toestand met een betrouwbaarheid voorbij de destillatiedrempel op een supergeleidende kwantumprocessor. Hun artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , schetst een haalbare en effectieve strategie om high-fidelity logische magische toestanden te genereren, een aanpak om fouttolerante kwantumcomputing te realiseren.

"We hebben een langetermijnplan op het gebied van kwantumfoutcorrectie", vertelde prof. Xiao-Bo Zhu, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "Na de voltooiing van ons eerdere werk aan een oppervlaktecode op afstand van 3 voor herhaalde foutcorrectie, beschouwen we de volgende focus op de voorbereiding van logische magische toestanden."

Het uiteindelijke doel van het recente onderzoek van prof. Zhu en hun collega's is het realiseren van robuuste, fouttolerante, universele kwantumcomputers. De voorbereiding van logische magische toestanden is een belangrijke stap bij het implementeren van niet-Clifford logische poorten, die op hun beurt leiden tot het bereiken van fouttolerante kwantumcomputing.

"In eenvoudige bewoordingen is het basisidee van ons protocol om eerst de toestand die moet worden voorbereid in een van de qubits in de oppervlaktecode te injecteren, en vervolgens de toestandsinformatie naar de gehele oppervlaktecode te 'propageren', waardoor een logische toestandsvoorbereiding wordt bereikt. ”, legde prof. Zhu uit. "In dit protocol is de keuze van de injectpositie van de te bereiden staat en de initialisatietoestanden van andere qubits belangrijk."

Experimentele resultaten van de voorbereide verschillende logische toestanden. (a) Logische toestandsgetrouwheid met naselectie in Bloch-sfeer. De nauwkeurigheid van de voorbereiding van verschillende logische toestanden wordt weergegeven als een cirkel, die is verdeeld in meerdere ringvormige sectoren, die elk een punt op de Bloch-bol vertegenwoordigen, waarbij de radiale richting de polaire hoek θ vertegenwoordigt en de tangentiële richting de azimuthoek φ vertegenwoordigt. . De verkregen gemiddelde logische betrouwbaarheid is 0,8983. (b) Logische meetresultaten van X ̂_L, Y ̂_L, Z ̂_L als functie van polaire hoek θ of azimuthoek φ. De gekleurde stippellijnen zijn het resultaat van aanpassing aan de trigonometrische functie. (c) De logische dichtheidsmatrices van de magische toestanden. Echte en denkbeeldige delen worden afzonderlijk weergegeven, en de transparante draadframes vertegenwoordigen het verschil met de ideale dichtheidsmatrix. Credit:Yangsen Ye et al.

Het door dit team van onderzoekers voorgestelde protocol schetst een eenvoudige, experimenteel haalbare en schaalbare strategie om hifi-rauwe magische toestanden voor te bereiden in supergeleidende kwantumprocessors. Als onderdeel van hun recente onderzoek pasten prof. Zhu en zijn collega's dit protocol toe op Zuchongzhi 2.1, een 66-qubit kwantumprofessor met een afstembaar koppelingsontwerp.

"Het ontwerp van deze processor stelt ons in staat de interactie tussen twee aangrenzende qubits te manipuleren, waardoor we ervoor kunnen zorgen dat onze kwantumpoorten ondanks een hoge mate van parallellisme voldoende high-fidelity zijn", aldus prof. Zhu. "Dit ontwerp is ook bevorderlijk voor het uitbreiden van de schaal van qubits op één processor."

Toen de onderzoekers hun protocol op de Zuchongzhi 2.1-processor implementeerden, bereikten ze veelbelovende resultaten. Concreet hebben ze op niet-destructieve wijze drie logische magische toestanden voorbereid met logische betrouwbaarheid van respectievelijk 0,8771 ± 0,0009, 0,9090 ± 0,0009 en 0,8890 ± 0,0010, die hoger zijn dan de drempelwaarde van het staatsdestillatieprotocol, 0,859 (voor magische toestand van het H-type) en 0,827 (voor magische toestand van het T-type).

"We hebben een cruciale mijlpaal bereikt in de ontwikkeling van fouttolerant computergebruik op basis van de oppervlaktecode door met succes een logische magische toestand op afstand drie voor te bereiden met een betrouwbaarheid die de destillatiedrempel overtreft", aldus prof. Zhu. "Deze uitkomst houdt in dat we magische toestanden met lage betrouwbaarheid in het destillatiecircuit van magische toestanden kunnen invoeren, meerdere destillaties kunnen ondergaan om magische toestanden met voldoende hoge betrouwbaarheid te verkrijgen, en deze vervolgens kunnen gebruiken om fouttolerante, niet-Clifford-logische poorten te construeren." P>

In de toekomst zou het door prof. Zhu en zijn collega's ontwikkelde protocol door andere onderzoeksteams kunnen worden gebruikt om hifi-ruwe, logische magische toestanden te realiseren, waarbij gebruik wordt gemaakt van een breder scala aan supergeleidende kwantumprocessors. Uiteindelijk zou het kunnen bijdragen aan de realisatie van robuuste kwantumcomputing met fouttolerantie, wat op zijn beurt de ontwikkeling van kwantumcomputers op grotere schaal mogelijk zou kunnen maken.

"Op het gebied van kwantumfoutcorrectie zijn we van plan twee belangrijke onderzoeksrichtingen te blijven verkennen", voegde prof. Zhu eraan toe. "Ten eerste willen we de prestaties van een logische qubit (of foutgecorrigeerd kwantumgeheugen) verbeteren door het foutenpercentage bij fysieke manipulatie te verminderen en het aantal gecodeerde qubits te vergroten, waardoor het logische foutenpercentage wordt onderdrukt tot praktische niveaus. Ten tweede voeren we uit experimenteel onderzoek naar foutgecorrigeerde logische bewerkingen, zoals roosterchirurgie, voor toepassing in toekomstige fouttolerante kwantumcomputing."

Meer informatie: Yangsen Ye et al, Voorbereiding op logische magische toestanden met betrouwbaarheid voorbij de destillatiedrempel op een supergeleidende kwantumprocessor, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.210603

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Bladeren, grazen, paren:voedsel en gezelschap helpen dieren in gevangenschap
  2. De kracht van compost:van afval een klimaatkampioen maken
  3. Hoe metabolische herprogrammering in mitochondriën overleving en levensduur bevordert of ondermijnt
  4. Nieuwe analyse plaatst Hobbit op onverwachte ledemaat van de menselijke stamboom
  5. Hoe de darmbacteriën van honingbijen helpen bij het verteren van hun stuifmeelrijke voeding
  6. Wetenschappers bestuderen overleving van zaailingen in landschap na natuurbrand
  7. Wetenschappers ontwikkelen nieuwe aanpak om belangrijke onontdekte functies van eiwitten te identificeren
  8. Wat zijn de 10 Major Body Systems?
  9. Crowdsourced spel is bedoeld om oplossingen te vinden voor aflatoxine

Wetenschap