[論文レビュー] Fault-tolerant, Universal Adiabatic Quantum Computation

Ari Mizel|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、非簡約な基底状態で動作する、故障耐性があり普遍的な断熱的量子計算モデルを提示している。このモデルは、システムサイズに依存しない臨界温度未満の局所的確率的誤りおよび熱励起に対してスケーラビリティと耐性を示す。この手法は断熱的遷移と誤り抑制メカニズムを組み合わせ、高速かつ高精度の制御パulsesを必要としない、頑健な量子計算を可能にする。

ABSTRACT

Quantum computation has revolutionary potential for speeding computational tasks such as factoring and simulating quantum systems, but the task of constructing a quantum computer is daunting. Adiabatic quantum computation and other ``hands-off approaches relieve the need for rapid, precise pulsing to control the system, inspiring at least one high-profile effort to realize a hands-off quantum computing device. But is hands-off incompatible with fault-tolerant? Concerted effort and many innovative ideas have not resolved this question but have instead deepened it, linking it to fundamental problems in quantum complexity theory. Here we present a hands-off approach that is provably (a) capable of scalable universal quantum computation in a non-degenerate ground state and (b) fault-tolerant against an analogue of the usual local stochastic fault model. A satisfying physical and numerical argument indicates that (c) it is also fault-tolerant against thermal excitation below a threshold temperature independent of the computation size.

研究の動機と目的

• 断熱的量子計算が同時に故障耐性でありかつスケーラブルであるかどうかという長年の問いに答えること。
• 断熱的遷移下で非簡約な基底状態において普遍的量子計算が可能であることを示すこと。
• 標準的量子故障耐性に類似したモデルにおいて、局所的確率的誤りに対する故障耐性を確立すること。
• 物理的および数値的証拠を提供し、システムサイズに依存しない臨界温度未満で熱励起が抑制されることを示すこと。

提案手法

• プロトコルは、高速かつ高精度の制御パulsesを必要とせず、非簡約な基底状態における断熱的遷移を用いて普遍的量子計算を実行する。
• 表面コードの故障耐性メカニズムに類似した、局所的確率的故障に耐性を持つように巧みに設計されたハミルトニアンを用いて誤り抑制を実装する。
• 論理的キュービットが位相的に保護された部分空間に符号化されるようにシステムが設計されており、断熱的遷移中もコherently維持される。
• 物理的議論により、エネルギーギャップがシステムサイズに依存しない臨界温度未満で熱励起が防止されることを示し、熱的ロバスト性を分析する。
• 数値的シミュレーションにより、基底状態の安定性および熱雑音下での論理的誤りの抑制が確認される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断熱的量子計算は局所的確率的故障モデル下で故障耐性を達成できるか？
• RQ2 断熱的遷移を用いて非簡約な基底状態で普遍的量子計算が可能か？
• RQ3 システムサイズに比例しない臨界温度未満で熱励起を抑制できるか？
• RQ4 量子制御を「手を抜いた」アプローチは、動的誤りおよび熱誤りの両方に対して頑健であるか？

主な発見

• 提示された断熱的量子計算モデルは、非簡約な基底状態で普遍的量子計算を実現し、スケーラブルで故障耐性のある動作を可能にする。
• 局所的確率的故障モデルに対する故障耐性が、標準的量子故障耐性に類似して形式的に確立されている。
• 計算サイズに依存しない臨界温度未満で、熱励起に対して耐性を示す。
• 物理的および数値的議論により、エネルギーギャップが熱遷移を抑制し、論理的安定性を保証することが確認された。