[論文レビュー] Random access quantum information processors

Ravi Naik, Nelson L. C. Leung+7 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 45被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、1つのトランスモンキュービットを用いて9モードの調和オシレータ記憶装置上でユニバーサルな量子操作を実現する、ランダムアクセス可能な超伝導量子情報処理装置を提示する。パラメトリックフラックス変調を用いてトランスモンを個々の共鳴器固有モードに選択的に結合させることで、高精度の任意のペアワイズエンタングルゲートを実現し、最大7モードまでマルチモードベル状態およびGHZ状態を準備する。これにより、長寿命の量子記憶を備えたスケーラブルで柔軟かつリソース効率の良い量子計算が可能となる。

ABSTRACT

Qubit connectivity is an important property of a quantum processor, with an ideal processor having random access -- the ability of arbitrary qubit pairs to interact directly. Here, we implement a random access superconducting quantum information processor, demonstrating universal operations on a nine-bit quantum memory, with a single transmon serving as the central processor. The quantum memory uses the eigenmodes of a linear array of coupled superconducting resonators. The memory bits are superpositions of vacuum and single-photon states, controlled by a single superconducting transmon coupled to the edge of the array. We selectively stimulate single-photon vacuum Rabi oscillations between the transmon and individual eigenmodes through parametric flux modulation of the transmon frequency, producing sidebands resonant with the modes. Utilizing these oscillations for state transfer, we perform a universal set of single- and two-qubit gates between arbitrary pairs of modes, using only the charge and flux bias of the transmon. Further, we prepare multimode entangled Bell and GHZ states of arbitrary modes. The fast and flexible control, achieved with efficient use of cryogenic resources and control electronics, in a scalable architecture compatible with state-of-the-art quantum memories is promising for quantum computation and simulation.

研究の動機と目的

• 複数の量子記憶モードにアクセス可能な中央プロセッサを活用することで、高いキュービット接続性を有するスケーラブルな量子アーキテクチャの開発を目的とする。
• 超伝導量子プロセッサにおける最近接キュービット結合の制限を克服し、任意のキュービットペア間の相互作用を可能とする。
• 唯一のトランスモンキュービットとその制御パラメータのみを用いて、マルチモード調和オシレータ記憶装置上でユニバーサルな量子操作（単一および二キュービットゲート）を達成すること。
• 複数モードにわたる高精度な状態転送およびエンタングルメント生成を実現し、量子シミュレーションやエラー補正への応用を可能とする。

提案手法

• 固有モードのフォック状態に情報が符号化された、11個の強い結合を持つ超伝導共鳴器の線形アレイを用いてマルチモード量子記憶を構築する。
• アレイの端に結合された1つのチューナブルなトランスモンキュービットを中央プロセッサとして用い、パラメトリックフラックス変調により個々のモードに選択的に結合可能とする。
• 周波数選択的パラメトリック制御を用いて、トランスモンと個々の共鳴器モード間で真空ラビ振動を誘発し、状態転送および単一モード操作を実現する。
• トランスモンの非調和性および高エネルギー準位を活用して、任意のペアのモード間で制御位相（CZ）および制御ノット（CX）ゲートを実装する。
• 条件付き光子生成とトランスモンの状態を分離するプロトコルを用いて、複数モードにわたる最大エンタングルドベル状態およびGHZ状態を生成する。
• 全量子状態トモグラフィーを用いてゲートの忠実度およびエンタングルド状態の準備を検証し、ベル状態の忠実度が F = 0.75 であることを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのトランスモンキュービットが、超伝導回路内の複数の遠隔に位置する調和オシレータモードに対してユニバーサルな量子操作を可能にするか？
• RQ2 超伝導量子プロセッサにおいて、非近接モード間で任意のペアワイズエンタングルゲートをどのように実装できるか？
• RQ3 中央プロセッサアーキテクチャを用いたマルチモードエンタングルド状態の状態準備における忠実度とスケーラビリティはどの程度か？
• RQ4 パラメトリックフラックス変調は、個々の共鳴器固有モードへの選択的かつ高精度な結合をどの程度可能にするか？
• RQ5 このアーキテクチャは、長寿命でマルチモードエンタングルメントを必要とする将来の量子エラー補正コードをサポートできるか？

主な発見

• 本システムは、1つのトランスモンキュービットの電荷およびフラックスバイアスのみを用いて、9モードの記憶装置の任意のペア間でユニバーサルな単一および二キュービットゲートを達成した。
• ベル状態は全量子状態トモグラフィーにより確認され、忠実度 F = 0.75 であった。
• 最大7モードにわたるマルチモードGHZ状態が生成され、目標状態からのパopulationエラーは θ = π/2 で測定された。
• 追加コストなしに、任意の2モード間でエンタングルゲートを実現でき、長距離キュービット操作において最近接結合アーキテクチャを上回る忠実度を達成した。
• 本アーキテクチャは、キュービットよりも100倍高い記憶モードのコherenecet時間を持つことを示し、長寿命の量子情報保存を可能とした。
• 本手法はスケーラブルであり、3Dキャビティおよびキャットコードやバイノミアルコードなどの高次元量子エラー補正コードとも互換性がある。