[論文レビュー] Superconducting qutrit-qubit circuit: A toolbox for efficient quantum gates

Thomas Bækkegaard, Lasse Bjørn Kristensen+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、三準位系（qutrit）と2つのキュービットを結合させることで、効率的でロバストかつユニバーサルな量子ゲートを実現する超伝導qutrit-キュービット回路を提案する。これにより、エンタングルメント、ToffoliゲートおよびFredkinゲート、および条件付き幾何的（ホロノミック）ゲートの実装が可能となり、デ coherent リスクが低減する大規模量子計算のスケーラブルなツールキットが提供される。

ABSTRACT

As classical computers struggle to keep up with Moore's law, quantum computing may represent a big step in technology and yield significant improvement over classical computing for many important tasks. Building a quantum computer, however, is a daunting challenge since it requires good control but also good isolation from the environment to minimize decoherence. It is therefore important to realize quantum gates efficiently, using as few operations as possible, to reduce the amount of required control and operation time and thus improve the quantum state coherence. Here we propose a superconducting circuit for implementing a tunable spin chain consisting of a qutrit (three-level system analogous to spin-1) coupled to two qubits (spin-1/2). Our system can efficiently accomplish various quantum information tasks, including generation of entanglement of the two qubits and conditional three-qubit quantum gates, such as the Toffoli and Fredkin gates, which are universal for reversible classical computations. Furthermore, our system realizes a conditional geometric gate which may be used for holonomic (non-adiabatic) quantum computing. The efficiency, robustness and universality of our circuit makes it a promising candidate to serve as a building block for larger spin networks capable of performing involved quantum computational tasks.

研究の動機と目的

• 量子計算におけるデ coherent の課題に取り組み、ゲート操作時間と制御の複雑さを最小限に抑える。
• qutritを2つのキュービットに結合させたチューナブルなスピンチェーンアーキテクチャを構築し、ゲート効率を向上させる。
• 可逆古典計算に不可欠な、ToffoliおよびFredkinゲートを含むユニバーサル量子ゲートを実現する。
• 非断熱ホロノミック量子計算を可能にする条件付き幾何ゲートを実装する。
• より大きなスピンネットワークで複雑な量子タスクを実行可能なスケーラブルな構築モジュールを構築する。

提案手法

• チューナブルなqutrit（三準位系）と2つのキュービット（スピン-1/2）を結合させた超伝導回路を設計し、チューナブルなスピンチェーンを形成する。
• qutritとキュービット間の相互作用を、ダイナミックな結合制御によりエンジニアリングしてゲート操作を実現する。
• qutritの中間準位を介した制御された相互作用により、条件付き量子ゲートを実装する。
• 幾何的（Berry）位相の蓄積を活用してホロノミックゲート操作を実現し、特定の誤りに対してロバスト性を向上させる。
• ユニバーサルゲートセット（ToffoliおよびFredkinゲートを含む）を実現可能となるよう、システムの準位構造と結合強度をエンジニアリングする。
• 効率的なゲート設計により、操作時間を短縮し環境結合を低減することで、ゲートの忠実度とコherー二ンスを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導qutrit-キュービット系は、短時間で効率的にユニバーサル量子ゲートを実装可能であり、操作時間と制御の複雑さを低減できるか？
• RQ2 条件付き幾何ゲートは、超伝導回路でどのように実現可能となり、非断熱ホロノミック量子計算を可能にするか？
• RQ3 qutrit-キュービットアーキテクチャは、エンタングルメントをどの程度効果的に生成可能であり、ToffoliおよびFredkinゲートを実装可能か？
• RQ4 qutritの中間準位は、多キュービット相互作用を媒介し、ゲートのユニバーサルティを実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 このアーキテクチャは、より大きな量子スピンネットワークのスケーラブルな構築モジュールとして機能可能か？

主な発見

• 提案されたqutrit-キュービット回路は、短時間で効率的な2キュービットエンタングルメントを実現し、ゲート時間と制御オーバーヘッドを低減する。
• システムは、可逆古典計算に不可欠なToffoliおよびFredkinゲートを含むユニバーサル量子ゲートを実現する。
• 条件付き幾何ゲートが達成され、非断熱ホロノミック量子計算を可能にし、誤り耐性の可能性を有する。
• 短時間での操作により、システムは高いロバスト性を示し、量子状態のコherー二ンスが向上する。
• 回路構造は、複雑な量子計算タスクを実行可能なより大きなスピンネットワークを構築するためのスケーラブルなプラットフォームを提供する。
• qutritとキュービット間のチューナブルな結合により、相互作用の動的制御が可能となり、多様なゲート操作が実現可能である。