[논문 리뷰] Implementation of the iFREDKIN gate in scalable superconducting architecture for the quantum simulation of Fermionic systems

Per Liebermann, Pierre-Luc Dallaire-Demers외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 26.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 스케일러블한 페르미온계 양자 시뮬레이션을 위한 슈퍼콘덕터 아키텍처인 SPARQS를 제안하며, 최적 제어(GRAPE)를 통해 iFREDKIN 게이트—페르미온 해밀토니안을 시뮬레이션하는 데 핵심적인 요소—가 56 ns 내에 99.99%의 허용도로 실행될 수 있음을 입증한다. 이 방법은 고성능의 세 큐비트 얽힘 연산을 효율적이고 높은 정확도로 가능하게 하여 고전적 접근을 뛰어넘는 양자 시뮬레이션을 실현한다.

ABSTRACT

We present a Superconducting Planar ARchitecture for Quantum Simulations (SPARQS) intended to implement a scalable qubit layout for quantum simulators. To this end, we describe the iFREDKIN gate as a controlled entangler for the simulation of Fermionic systems that is advantageous if it can be directly implemented. Using optimal control, we show that and how this gate can be efficiently implemented in the SPARQS circuit, making it a promising platform and control scheme for quantum simulations. Such a quantum simulator can be built with current quantum technologies to advance the design of molecules and quantum materials.

연구 동기 및 목표

• 페르미온계 양자 시뮬레이션을 위한 확장 가능한 평면형 슈퍼콘덕터 아키텍처를 개발하는 것.
• 페르미온 해밀토니안 진화에 핵심적인 세 큐비트 얽힘 게이트인 iFREDKIN 게이트의 직접적 구현을 가능하게 하는 것.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 최적 제어를 통해 iFREDKIN 게이트의 고성능·고정밀도 실행을 입증하는 것.
• iFREDKIN 게이트가 표준 iSWAP 게이트와 유사한 시간 내에 실행될 수 있음을 보여주어 대규모 시뮬레이션에 실현 가능함을 확인하는 것.

제안 방법

• SPARQS 아키텍처는 중앙의 프로브 큐비트 P가 시스템 큐비트 S1과 S2와 공통 버스를 통해 연결되어, 전체 큐비트 간 연결이 필요 없이도 전부 다 연결 가능성을 확보한다.
• iFREDKIN 게이트는 기울기 상승 펄스 공 ing(Gradient Ascent Pulse Engineering, GRAPE)을 사용하여 최적화된 제어 펄스를 통해 실현되며, 실제 하드웨어 제약 조건 하에서도 높은 정확도를 달성한다.
• 시스템 해밀토니안에는 조정 가능한 디튜닝과 비선형성을 가진 큐비트-버스 결합 항이 포함되어 있으며, ωR = ωB인 회전 프레임에서 모델링된다.
• 1 ns 시간 해상도와 가우시안 필터링(σ = 0.4 ns)을 적용한 펄스 시퀀스가 설계되었으며, 허용도는 진화된 상태와 목표 게이트 간의 트레이스 오버랩을 통해 평가된다.
• 최적화 과정에 큐비트의 두 번째 올림 상태로의 유출도 포함되어, 계산 하위공간 내에서의 강건성을 확보한다.
• 결합 강도와 디튜닝의 역수로부터 유도된 속도 한계 하에서 게이트 지속시간을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 파rameters를 가진 초전도 큐비트 아키텍처에서 iFREDKIN 게이트를 효율적으로 실행할 수 있는가?
• RQ2 동일한 아키텍처에서 iFREDKIN 게이트의 지속시간이 표준 iSWAP 게이트와 유사한가?
• RQ3 높은 수준으로의 유출이 포함된 상황에서도 고성능(≥99.99%)의 실행이 가능할 수 있는가?
• RQ4 제안된 SPARQS 아키텍처는 iFREDKIN 게이트를 사용하여 확장 가능한 페르미온계 양자 시뮬레이션을 지원하는가?

주요 결과

• GRAPE 최적화를 통해 iFREDKIN 게이트가 56 ns 내에 99.99%의 허용도로 성공적으로 실행되었다.
• 게이트 지속시간이 표준 iSWAP 게이트와 약간만 길어져, 양자 시뮬레이션에 있어 높은 효율성을 보였다.
• 최적화된 제어 펄스는 높은 대칭성을 보이며 큐비트의 두 번째 올림 상태로의 유출가 낮았다.
• 상태 인구의 시간 진화는 제어 큐비트가 일시적으로 탈구되고 재구성되는 것으로 나타나, 이는 이중 양자 간섭 과정과 일치한다.
• 속도 한계 분석 결과, 게이트는 55 ns 이내에 실행 가능함을 확인하여 현재의 초전도 큐비트의 코herence 시간과도 호환됨을 입증했다.
• SPARQS 아키텍처는 iFREDKIN 게이트의 직접적 구현을 통해 확장 가능하고 고정밀도의 페르미온계 양자 시뮬레이션을 지원한다.