[논문 리뷰] Phase gate of one qubit simultaneously controlling n qubits in a cavity or coupled to a resonator

Chui‐Ping Yang, Yu-xi Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 21.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 한 큐비트가 캐비티 또는 공진기 시스템에서 n 큐비트를 동시에 제어할 수 있는 세 단계의 제어된-위상 게이트를 제안하며, 운영 시간이 n에 의존하지 않는다. 초전도 큐비트 또는 원자들을 사용하여, 캐비티의 초기 상태와 관계없이 게이트가 작동하며, 동시에 다중큐비트 CNOT 유사 연산을 가능하게 하여 확장 가능하고 빠르며 내성적인 양자 게이트 아키텍처를 제공한다.

ABSTRACT

We propose how to realize a three-step controlled-phase gate of one qubit simultaneously controlling $n$ qubits in a cavity or coupled to a resonator. The $n$ two-qubit controlled-phase gates, forming this multiqubit phase gate, can be performed simultaneously. The operation time of this phase gate is independent of the number $n$ of qubits. This phase gate controlling at once $n$ qubits is insensitive to the initial state of the cavity mode and can be used to produce an analogous CNOT gate simultaneously acting on $n$ qubits. We present two alternative approaches to implement this gate. One approach is based on tuning the qubit frequency while the other method tunes the resonator frequency. Using superconducting qubits coupled to a resonator as an example, we show how to implement the proposed gate with one superconducting qubit simultaneously controlling $n$ qubits selected from $N$ qubits coupled to a resonator ($1<n<N$). We also give a discussion on realizing the proposed gate with atoms, by using one cavity initially in an arbitrary state.

연구 동기 및 목표

• 캐비티 또는 공진기 시스템에서 한 제어 큐비트가 동시에 n 타겟 큐비트와 양자 얽힘을 형성할 수 있는 확장 가능한 양자 게이트를 개발하는 것.
• 타겟 큐비트 수 n에 따라 운영 시간이 변하지 않도록 하여 다중큐비트 게이트의 확장성 문제를 해결하는 것.
• 캐비티 모드의 초기 상태에 민감하지 않은 게이트를 설계하여 노이즈가 많은 환경에서도 내성성을 높이는 것.
• 병렬으로 n 큐비트에 작용하는 CNOT 유사 게이트를 실현하여 효율적인 양자 회로 설계를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 제어 큐비트와 n 타겟 큐비트 간의 제어 상호작용을 공통 캐비티 또는 공진기 모드를 통해 구현하는 세 단계 과정을 통해 게이트를 구현한다.
• 두 가지 대안적 실현 전략을 제안한다: 큐비트 주파수를 조절하거나 공진기 주파수를 조절하여 제어된-위상 상호작용을 유도한다.
• 제어 큐비트와 캐비티 간의 공 resonance 결합에 기반하며, 타겟 큐비트들도 동일한 캐비티에 연결되어 있어 공통 광자 모드를 통해 동시에 얽힘을 형성할 수 있다.
• 게이트 운영이 캐비티의 초기 폴드 상태에 민감하지 않도록 설계되어, 초기 상태 준비 오류에 대한 내성성을 확보한다.
• 초전도 큐비트가 공진기와 결합된 구현 플랫폼을 명시적으로 시연하며, N개의 결합된 큐비트 중에서 n개의 큐비트를 선택하는 명확한 프로토콜을 제시한다.
• 다른 실현 방법으로 캐비티 내 원자가 사용되는 경우를 논의하며, 한 원자가 제어 역할을 하며 캐비티 모드가 임의의 상태에 있을 수 있음을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티 기반 시스템에서 한 제어 큐비트가 n 타겟 큐비트와 동시에 얽힐 수 있으며, 운영 시간이 n에 의존하지 않나?
• RQ2 캐비티 모드의 초기 상태에 대해 어떻게 게이트를 내성적으로 만들 수 있으며, 특히 캐비티가 알려진 폴드 상태가 아닌 경우에도 유지를 할 수 있는가?
• RQ3 초전도 큐비트 또는 포획된 원자를 사용하여 이러한 게이트의 실현 가능한 물리적 방법은 무엇인가?
• RQ4 제안된 게이트를 사용하여 병렬로 다중큐비트 CNOT 연산을 생성할 수 있으며, 성공적인 구현 조건은 무엇인가?
• RQ5 큐비트 또는 공진기의 주파수 조절을 통해 순차적 게이트 적용 없이 필요한 제어된-위상 연산을 어떻게 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 위상 게이트는 n 큐비트를 동시에 제어하며, 운영 시간이 n에 독립적이므로 확장 가능한 다중큐비트 얽힘을 실현한다.
• 게이트는 캐비티 모드의 초기 상태에 대해 내성적이며, 캐비티가 진공, 열적 상태 또는 폴드 상태에 있더라도 일관된 품질을 유지한다.
• 큐비트 주파수 조절 또는 공진기 주파수 조절을 통해 게이트를 실현할 수 있으며, 실험 설계의 유연성을 제공한다.
• 제안된 제어된-위상 게이트를 사용하여 병렬로 n 큐비트에 작용하는 CNOT 유사 게이트를 구성할 수 있으며, 효율적인 양자 회로 컴파일링을 가능하게 한다.
• 초전도 큐비트가 공진기와 결합된 구현이 가능하며, 한 제어 큐비트가 더 큰 N 큐비트 집합에서 선택된 n 큐비트와 동시에 얽힐 수 있다.
• 프로토콜은 원자 시스템으로도 확장 가능하며, 한 원자가 캐비티 모드가 임의의 상태에 있을 때 n개의 다른 원자를 제어할 수 있어 광범위한 물리적 적용 가능성을 보여준다.