[논문 리뷰] Holonomic quantum computing with cat-codes

Victor V. Albert, Stefan Krastanov외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 28.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고정된 비선형성을 갖는 시스템인 포획 이온 및 회로 QED와 같은 플랫폼에서 구현 가능한, 고리형 상태의 초위상 상태인 캣-코드를 사용한 유니버설 하모닉 양자 계산 프레임워크를 제안한다. 두 가지 아디아바틱 게이트 가족을 통해 실현되며, 첫째로 위상공간 내에서 고리형 상태를 아디아바틱하게 둘러싸며 기하학적 베리 위상이 춴적되는 것, 둘째로 두 개의 고리형 상태 간의 제어된 충돌을 통해 인위적 인구 전이를 실현하는 방식이다. 이 방법은 포획 이온 및 회로 QED와 같은 플랫폼에서 조절 가능한 비선형성을 활용해 유니버설 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Universal quantum computation on a space consisting of superpositions of $d$ well-separated coherent states can be achieved by two families of adiabatic holonomic gates. The first gate consists of moving a coherent state around a closed path in phase space, resulting in a relative Berry phase between that state and the other states. The second gate consists of colliding two coherent states, resulting in coherent population transfer between them. Such gates should be realizable via reservoir engineering of systems which support tunable nonlinearities, such as trapped ions and circuit QED.

연구 동기 및 목표

• 다수의 잘 분리된 고리형 상태의 초위상 상태인 캣-코드를 기반으로 한 유니버설 양자 계산 프레임워크를 개발하는 것.
• 하모닉 게이트의 위상적 안정성 특성을 활용하여 고장 내성 양자 계산의 과제를 해결하는 것.
• 유니버설 게이트 세트를 실현하기 위해 두 가지 아디아바틱 하모닉 게이트 가족—기하 위상 춯적 및 고리형 상태 충돌—을 설계하는 것.
• 조절 가능한 비선형성을 갖는 물리적 플랫폼, 예를 들어 포획 이온 및 회로 QED에서의 실현 가능성을 보장하는 것.

제안 방법

• 캣-코드의 힐베르트 공간 내에서 아디아바틱 진동을 이용해 하모닉 양자 게이트를 실현하며, 시스템이 위상공간 내에서 닫힌 경로를 따라 진동하도록 한다.
• 고리형 상태를 아디아바틱하게 둘러싸며 획득하는 기하학적 베리 위상을 활용해 상대 위상 제어 게이트를 실현한다.
• 아디아바틱 충돌 과정을 통해 두 고리형 상태 간의 인공적 인구 전이를 설계하여 얽힘 작용을 실현한다.
• 조절 가능한 비선형성을 갖는 시스템에서 캣-코드의 동적 안정성과 제어를 위해 리저보아르 엔지니어링을 활용한다.
• 특정 디코herence 채널에 대한 내성을 갖는 다수의 고리형 상태 초위상 상태에 논리 큐비트를 인코딩함으로써 고장 내성을 확보한다.
• 하모닉의 기하학적 성격 덕분에 일부 매개변수 변동에 대해 강건한 게이트 시퀀스를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캣-코드 힐베르트 공간 내에서 아디아바틱 하모닉 게이트만을 사용해 유니버설 양자 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고리형 상태의 초위상 상태에서 기하학적 베리 위상을 어떻게 생성하고 제어할 수 있는가?
• RQ3 캣-코드 시스템에서 서로 다른 고리형 상태 간의 인공적 인구 전이를 가능하게 하는 동역학적 과정은 무엇인가?
• RQ4 이러한 게이트는 회로 QED와 포획 이온처럼 조절 가능한 비선형성을 갖는 실제 플랫폼에서 실현 가능한가?
• RQ5 이러한 하모닉 게이트는 제어 오차와 디코herence에 대해 어떤 강건성 특성을 갖는가?

주요 결과

• 캣-코드 프레임워크 내에서 두 가지 아디아바틱 하모닉 게이트 가족을 사용해 유니버설 양자 계산이 가능하다.
• 위상공간 내에서 고리형 상태를 아디아바틱하게 둘러싸며 상대적 베리 위상이 축적되어 단일 큐비트 하모닉 게이트를 실현할 수 있다.
• 두 고리형 상태 간의 제어된 충돌을 통해 인공적 인구 전이가 가능해져 얽힘 2레벨 작용을 실현할 수 있다.
• 하모닉의 기하학적 성격 덕분에 일부 제어 오차에 대해 강건한 게이트이다.
• 리저보아르 엔지니어링을 통해 포획 이온 및 회로 QED와 같은 조절 가능한 비선형성을 갖는 물리 시스템에서 실현 가능한 프레임워크이다.
• 이러한 접근은 매크로스코픽 초위상 상태의 내재된 오류 내성 특성을 활용해 고장 내성 양자 계산로의 길을 열어준다.