[論文レビュー] Demonstration of a programmable quantum computer module

Shantanu Debnath, Norbert M. Linke+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、98%の平均fidelityを持つネイティブで完全に接続されたユニバーサルな量子ゲートを用いて、ソフトウェアによって任意の量子アルゴリズムを実行可能な5キュービットのトラップイオン量子コンピュータモジュールを示している。デュイシュ＝ジョズァおよびベルンシュタイン＝ヴァジラニのアルゴリズムでは、それぞれ95%および90%の成功確率を達成し、位相推定と周期発見のためのコherentな量子フーリエ変換（QFT）を62%および84%のfidelityで実行した。

ABSTRACT

Quantum computers can solve certain problems more efficiently than any possible conventional computer. Small quantum algorithms have been demonstrated on multiple quantum computing platforms, many specifically tailored in hardware to implement a particular algorithm or execute a limited number of computational paths. Here, we demonstrate a five-qubit trapped-ion quantum computer that can be programmed in software to implement arbitrary quantum algorithms by executing any sequence of universal quantum logic gates. We compile algorithms into a fully-connected set of gate operations that are native to the hardware and have a mean fidelity of 98 %. Reconfiguring these gate sequences provides the flexibility to implement a variety of algorithms without altering the hardware. As examples, we implement the Deutsch-Jozsa (DJ) and Bernstein-Vazirani (BV) algorithms with average success rates of 95 % and 90 %, respectively. We also perform a coherent quantum Fourier transform (QFT) on five trappedion qubits for phase estimation and period finding with average fidelities of 62 % and 84 %, respectively. This small quantum computer can be scaled to larger numbers of qubits within a single register, and can be further expanded by connecting several such modules through ion shuttling or photonic quantum channels.

研究の動機と目的

• ハードウェア変更なしに任意の量子アルゴリズムを実行できる柔軟で再構成可能な量子コンputingプラットフォームの開発。
• 完全に接続されたゲートセットを用いたトラップイオン系における高精度なユニバーサル量子ゲート操作の実証。
• デュイシュ＝ジョズァおよびベルンシュタイン＝ヴァジラニなどのベンチマーク量子アルゴリズムの実装を通じて、プラットフォームの能力の検証。
• 位相推定と周期発見のためのスケーラブルな量子アルゴリズム、たとえば量子フーリエ変換（QFT）の実装。
• イオンの移送または光子的インターフェースを用いたモジュラー構造を導入し、将来的なスケーリングを実現する。

提案手法

• 量子論理ゲートは、5つのトラップされた40Ca+イオン（キュービットとして使用）を用い、レーザー駆動によるラーマン遷移によって実装される。
• 完全に接続されたネイティブな2キュービットエンタングルゲート（Mølmer-Sørensen型）のセットにより、ユニバーサルな量子計算が可能となる。
• 量子アルゴリズムは、高精度な操作（平均fidelity 98%）を実現するこれらのネイティブゲートのシーケンスにコンパイルされる。
• ハードウェア変更なしに異なるゲートシーケンスを実行できるソフトウェア再構成がプラットフォームでサポートされている。
• 位相推定と周期発見は、5キュービットレジスタ上でコherentな量子フーリエ変換（QFT）を用いて実装された。
• イオンの移送または光子的量子チャネルを用いたモジュラー設計により、スケーラビリティが実現されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラップイオン量子コンピュータは、ハードウェア変更なしにソフトウェア再構成によって任意の量子アルゴリズムを実装できるか？
• RQ2 完全に接続された5キュービットのトラップイオン系において、ユニバーサルな量子ゲート操作の達成可能なfidelityはどの程度か？
• RQ3 このプラットフォームは、デュイシュ＝ジョズァやベルンシュタイン＝ヴァジラニのようなベンチマーク量子アルゴリズムをどれほどうまく実装できるか？
• RQ4 5キュービットのレジスタ上で、位相推定と周期発見のためのコherentな量子フーリエ変換（QFT）の性能はどの程度か？
• RQ5 イオンの移送やモジュラー統合を用いて、このシステムを大規模な量子計算に拡張できるか？

主な発見

• ネイティブな2キュービットエンタングルゲートの平均ゲートfidelityは98%に達し、高精度なユニバーサル量子操作が可能となった。
• デュイシュ＝ジョズァのアルゴリズムは平均95%の成功率で実装され、量子プロセッサ上で正しく動作したことが確認された。
• ベルンシュタイン＝ヴァジラニのアルゴリズムは平均90%の成功率を達成し、プラットフォームが非自明な量子問題を解ける能力を確認した。
• 位相推定のための量子フーリエ変換は平均62%のfidelityを示し、全レジスタ上でコherentな動作が確認された。
• 周期発見のためのQFTは平均84%のfidelityを達成し、ショアのアルゴリズムのサブルーチンとしての有用性が示された。
• モジュラー構造は、イオンの移送または光子的インターフェースを用いて将来的なスケーリングを可能とし、大規模な量子計算への展開が可能となった。