[論文レビュー] Universal digital photonic single-qubit quantum channel simulator

Lu He, Chang Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2015

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ユニバーサルな単一キュービットゲートと1つの2キュービットエンタングリングゲートを用いて、任意の単一キュービット量子チャネルを実験的にシミュレートする最初のデジタル量子シミュレータを提示する。このシミュレータは、任意の単一キュービットチャネルの効率的かつ高精度なコンパイルとプログラミングを可能にし、ハミルトニアンベースのシミュレータからチャネルベースのデジタル量子シミュレーションへと一般化し、量子計算および量子シミュレーション分野における広範な応用を実現する。

ABSTRACT

Quantum simulators, which exploit quantum effects to reveal unknown or difficult-to-compute properties of a model of interest, play a significant role in quantum information science. Quantum simulation of the dynamics of many-body system has been widely studied for various quantum computing systems, including cold atoms, trapped ions and photons. However, simulation of quantum channels, which describes one of the most general quantum processes in realistic systems, has not yet been fully explored, even for single-qubit channels. Here we report the first experimental digital quantum simulator of arbitrary single-qubit channels. We built this simulator with a set of single-qubit gates together with a single two-qubit entangling gate. We show that any single-qubit channel can be efficiently and accurately programmed and compiled by our simulator. Our scheme generalizes Hamiltonian-based simulators to channel-based digital quantum simulators, which could have important applications in quantum computation and quantum simulation.

研究の動機と目的

• 任意の単一キュービット量子チャネルをエミュレートできる汎用的なデジタル量子シミュレータの開発。
• 既存のハミルトニアンベースの量子シミュレータが、量子チャネルのような一般の量子プロセスを十分に扱えないという制限を克服すること。
• 物理的量子系において、任意の単一キュービットチャネルの効率的かつ高精度なプログラミングとコンパイルを可能にすること。
• ユニタリなダイナミクスにとどまらず、デ coherent と散逸を含む非ユニタリでオープンな量子系プロセス（例：デコherence）を含むデジタル量子シミュレーションの範囲を拡張すること。

提案手法

• シミュレータは、目的の量子チャネルダイナミクスを構築するために、ユニバーサルな単一キュービット量子ゲートのセットを用いる。
• 1つの2キュービットエンタングリングゲートを用いて、一般の量子チャネルをシミュレートするために必要な非ユニタリ操作を媒介する。
• デジタルシミュレーションフレームワークを用いてチャネルを量子操作のシーケンスにコンパイルし、プログラマブルな実装を可能にする。
• このアプローチにより、ユニタリな進化から任意の完全正定値トレース保存写像へのデジタル量子シミュレーションへの一般化が実現される。
• アーキテクチャはスケーラブルであり、フォトニクス系を含むさまざまな量子プラットフォームに適応可能である。
• シミュレータは、任意の量子チャネルを拡大されたヒルバート空間上のユニタリ進化として表現できるスティンペリンング拡張定理を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の任意の単一キュービット量子チャネルを高精度にエミュレートできるデジタル量子シミュレータを構築できるか？
• RQ2 ユニバーサルな量子ゲートのセットと1つの2キュービットエンタングリングゲートをどのように組み合わせて一般の量子チャネルをシミュレートできるか？
• RQ3 このデジタルシミュレーションフレームワークを用いた任意の単一キュービットチャネルのコンパイルの効率性と正確さはいかほどか？
• RQ4 このアプローチは、ユニタリ進化にとどまらず、非ユニタリでオープン系ダイナミクス（例：デコherence）を含むデジタル量子シミュレーションの範囲をどのように拡張するか？
• RQ5 このシミュレータは、現実のノイズ環境下での量子計算および量子シミュレーションにどのような実用的意義をもたらすか？

主な発見

• 提案されたシミュレータは、最小限のゲートセットを用いて、任意の単一キュービットチャネルを高い正確性でエミュレートすることに成功した。
• 1つの2キュービットエンタングリングゲートの導入により、オープン量子系をモデル化するために不可欠な非ユニタリダイナミクスのシミュレーションが可能になった。
• デジタルコンパイル手法により、任意のチャネルの効率的プログラミングが可能であり、原理的にスケーラビリティが示された。
• ハミルトニアンベースのシミュレータからチャネルベースのデジタル量子シミュレーションへの一般化が実現され、量子シミュレーションの範囲が広がった。
• 実験的実装により、フォトニクス量子系における一般の量子プロセスのシミュレーションの実現可能性が確認された。
• このアプローチは、任意の単一キュービットチャネルをシミュレートする汎用フレームワークを提供し、量子エラー低減およびノイズ同定の分野における新規応用を可能にする。