[논문 리뷰] Demonstration of a programmable quantum computer module

Shantanu Debnath, Norbert M. Linke외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 15.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 98% 평균 허점도를 갖는 네이티브로 완전히 연결된 보편 양자 게이트를 사용해 소프트웨어 프로그래밍을 통해 임의의 양자 알고리즘을 실행할 수 있는 오차가 5 qubit의 트랩된 이온 양자 컴퓨터 모듈을 보여준다. 디우이트-조자 알고리즘과 버너스타이니 알고리즘에 대해 각각 95% 및 90%의 성공률을 달성했으며, 단계 추정과 주기 찾기의 경우 각각 62% 및 84%의 허점도로 일관된 양자 푸리에 변환을 수행한다.

ABSTRACT

Quantum computers can solve certain problems more efficiently than any possible conventional computer. Small quantum algorithms have been demonstrated on multiple quantum computing platforms, many specifically tailored in hardware to implement a particular algorithm or execute a limited number of computational paths. Here, we demonstrate a five-qubit trapped-ion quantum computer that can be programmed in software to implement arbitrary quantum algorithms by executing any sequence of universal quantum logic gates. We compile algorithms into a fully-connected set of gate operations that are native to the hardware and have a mean fidelity of 98 %. Reconfiguring these gate sequences provides the flexibility to implement a variety of algorithms without altering the hardware. As examples, we implement the Deutsch-Jozsa (DJ) and Bernstein-Vazirani (BV) algorithms with average success rates of 95 % and 90 %, respectively. We also perform a coherent quantum Fourier transform (QFT) on five trappedion qubits for phase estimation and period finding with average fidelities of 62 % and 84 %, respectively. This small quantum computer can be scaled to larger numbers of qubits within a single register, and can be further expanded by connecting several such modules through ion shuttling or photonic quantum channels.

연구 동기 및 목표

• 하드웨어 변경 없이도 임의의 양자 알고리즘을 지원하는 유연하고 재구성 가능한 양자 계산 플랫폼을 개발하는 것.
• 완전히 연결된 게이트 세트를 사용해 트랩된 이온 시스템에서 보편 양자 게이트 연산의 고정도를 입증하는 것.
• 디우이트-조자 및 버너스타이니와 같은 벤치마크 양자 알고리즘을 구현하여 플랫폼의 능력을 검증하는 것.
• 단계 추정과 주기 찾기의 경우 양자 푸리에 변환(QFT)을 통해 확장 가능한 양자 알고리즘을 구현하는 것.
• 이온 이동 또는 광학적 인터커넥트를 통해 향후 확장성을 확보하는 모듈식 아키텍처를 구축하는 것.

제안 방법

• 시스템은 5개의 트랩된 40Ca+ 이온을 큐비트로 사용하며, 레이저를 이용한 라만 전이를 통해 양자 논리 게이트를 실행한다.
• 완전히 연결된 네이티브 2 큐비트 얽힘 게이트 세트(Mølmer-Sørensen 유형)를 통해 보편 양자 계산이 가능하다.
• 양자 알고리즘은 높은 정확도로 작동하는 이러한 네이티브 게이트의 시퀀스로 컴파일되며, 평균 허점도 98%를 달성한다.
• 플랫폼은 하드웨어 수정 없이도 다른 게이트 시퀀스를 실행할 수 있도록 소프트웨어 재구성 기능을 지원한다.
• 단계 추정과 주기 찾기는 5 큐비트 레지스터에서 일관된 양자 푸리에 변환(QFT)을 통해 수행된다.
• 이온 이동 또는 광학적 양자 채널을 활용한 모듈식 설계를 통해 확장성이 보장된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 변경 없이도 소프트웨어 재구성으로 임의의 양자 알고리즘을 실행할 수 있는 트랩된 이온 양자 컴퓨터가 가능한가?
• RQ2 완전히 연결된 5 큐비트 트랩된 이온 시스템에서 보편 양자 게이트 연산의 달성 가능한 허점도는 얼마인가?
• RQ3 플랫폼은 디우이트-조자 및 버너스타이니와 같은 벤치마크 양자 알고리즘을 얼마나 잘 수행할 수 있는가?
• RQ4 5 큐비트에서 단계 추정과 주기 찾기의 경우 일관된 양자 푸리에 변환(QFT)의 성능은 어떠한가?
• RQ5 이온 이동 또는 모듈 간 연결을 통해 더 큰 규모의 양자 계산으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 네이티브 2 큐비트 얽힘 게이트에 대해 평균 게이트 허점도가 98%에 도달하여 고정도 보편 양자 연산이 가능하다.
• 디우이트-조자 알고리즘은 평균 성공률 95%로 성공적으로 실행되어 양자 프로세서에서 정상적으로 기능함을 입증했다.
• 버너스타이니 알고리즘은 평균 성공률 90%를 달성하여 플랫폼이 비틀린 양자 문제를 해결할 수 있음을 확인했다.
• 단계 추정을 위한 양자 푸리에 변환은 평균 허점도 62%를 기록하여 전체 레지스터에서 일관된 작동을 보였다.
• 주기 찾기의 경우 QFT는 평균 허점도 84%를 달성하여 쇼어 알고리즘 하위루틴에서의 유용성을 입증했다.
• 모듈식 아키텍처는 이온 이동 또는 광학적 인터커넥트를 통해 향후 확장이 가능하며, 더 큰 규모의 양자 계산을 가능하게 한다.