[論文レビュー] Implementation of the iFREDKIN gate in scalable superconducting architecture for the quantum simulation of Fermionic systems

Per Liebermann, Pierre-Luc Dallaire-Demers+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、フェルミ粒子系のスケーラブルな量子シミュレーションを実現するためのSPARQS超伝導アーキテクチャを提案する。最適制御（GRAPE）を用いた検証により、フェルミオンハミルトニアンのシミュレーションに不可欠なiFREDKINゲートを56 nsで99.99%の忠実度で実装可能であることを示した。この手法により、古典的手法では到達できない量子シミュレーションに不可欠な、効率的で高忠実度の3キュービットエンタングルメント操作が可能となる。

ABSTRACT

We present a Superconducting Planar ARchitecture for Quantum Simulations (SPARQS) intended to implement a scalable qubit layout for quantum simulators. To this end, we describe the iFREDKIN gate as a controlled entangler for the simulation of Fermionic systems that is advantageous if it can be directly implemented. Using optimal control, we show that and how this gate can be efficiently implemented in the SPARQS circuit, making it a promising platform and control scheme for quantum simulations. Such a quantum simulator can be built with current quantum technologies to advance the design of molecules and quantum materials.

研究の動機と目的

• フェルミオン系の量子シミュレーションに適したスケーラブルで平面型の超伝導アーキテクチャの開発。
• フェルミオンハミルトニアンの時間発展に不可欠な3キュービットエンタングルゲートとしてのiFREDKINゲートの直接実装を可能にする。
• 現実的な超伝導回路モデルにおける最適制御を用いて、高忠実度かつ高速なiFREDKINゲート実装の実証。
• iFREDKINゲートの実装時間が、同じアーキテクチャ内での標準的なiSWAPゲートと同等の時間で実現可能であることを示す。

提案手法

• SPARQSアーキテクチャは、中央のプローブキュービットPをバスを介してシステムキュービットS1およびS2に結合させることで、完全なキュービット接続を必要とせずにすべてのキュービット間接続を実現する。
• iFREDKINゲートは勾配上昇パルス工学（GRAPE）を用いて実装され、現実的なハードウェア制約下での高忠実度を達成するための制御パルスを最適化する。
• 系のハミルトニアンには、キュービット-バス結合項が含まれており、調整可能なエネルギー差（デチューニング）と非調和性を有する。これは回転フレーム（ωR = ωB）でモデル化される。
• パルスシーケンスは1 nsの時間分解能で設計され、ガウスフィルタリング（σ = 0.4 ns）が適用され、忠実度は時間発展状態とターゲットゲートとのトレース重なりで評価される。
• 最適化にはキュービットの第二励起準位への漏れも含まれており、計算サブスペースにおけるロバスト性が保証される。
• 結合定数およびデチューニングの逆数から導かれる速度制限の下で、ゲート時間の最小化が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なパrametersを有する超伝導量子アーキテクチャにおいて、iFREDKINゲートを効率的に実装できるか。
• RQ2 同じアーキテクチャ内において、iFREDKINゲートのゲート時間は標準的なiSWAPゲートと同等の時間で実現可能か。
• RQ3 高次準位への漏れを含めた状況でも、99.99%以上の忠実度での実装が可能か。
• RQ4 提案されたSPARQSアーキテクチャは、iFREDKINゲートを用いてフェルミオン系のスケーラブルな量子シミュレーションを実現可能か。

主な発見

• GRAPE最適化を用いて、iFREDKINゲートが56 nsで99.99%の忠実度で成功裏に実装された。
• ゲート時間は標準的なiSWAPゲートとほとんど同等であり、量子シミュレーションにおける高い効率性を示している。
• 最適化された制御パルスは高い対称性を示し、キュービットの第二励起準位への漏れも低く抑えられている。
• 状態の時間発展において、制御キュービットの一時的な励起状態の低下と再励起が観察され、2励起干渉過程と整合的である。
• 速度制限解析により、ゲートは55 ns未満で実装可能であると確認され、現在の超伝導キュービットのコherency時間と整合する。
• SPARQSアーキテクチャは、iFREDKINゲートの直接実装を用いて、フェルミオン系のスケーラブルで高忠実度の量子シミュレーションを実現可能である。