[논문 리뷰] Realization of two-qutrit quantum algorithms on a programmable superconducting processor

Tanay Roy, Ziqian Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 트랜스몬 큐트리트와 파arametric 커플러를 사용하여 완전히 프로그래밍 가능한 두 큐트리트 초전도 양자 프로세서를 구현함으로써 보편적인 두 큐트리트 게이트를 가능하게 했다. 앤실라가 없는 프로토콜을 통해 두 단계의 진폭 증폭을 거쳐 Deutsch-Jozsa, Bernstein-Vazirani, 그리고 Grover의 검색 알고리즘을 고정밀도로 실행하였으며, 이는 큐트리트 기반 Grover의 검색 알고리즘의 첫 실험적 실현이다. 성공 확률는 고전적 수준을 초월한다.

ABSTRACT

Processing quantum information using quantum three-level systems or qutrits as the fundamental unit is an alternative to contemporary qubit-based architectures with the potential to provide significant computational advantages. We demonstrate a fully programmable two-qutrit quantum processor by utilizing the third energy eigenstates of two transmons. We develop a parametric coupler to achieve excellent connectivity in the nine-dimensional Hilbert space enabling efficient implementations of two-qutrit gates. We characterize our processor by realizing several algorithms like Deutsch-Jozsa, Bernstein-Vazirani, and Grover's search. Our efficient ancilla-free protocols allow us to show that two stages of Grover's amplification can improve the success rates of an unstructured search with quantum advantage. Our results pave the way for building fully programmable ternary quantum processors using transmons as building blocks for a universal quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 보편적인 양자 계산을 위한 확장 가능한 플랫폼으로서 트랜스몬 큐트리트를 사용한 완전히 프로그래밍 가능한 두 큐트리트 초전도 양자 프로세서를 개발하는 것.
• 전체 힐버트 공간에의 액세스를 가능하게 하기 위해 파라메트릭 커플러를 도입함으로써 초전도 큐딧 아키텍처에서의 연결성과 게이트 품질의 한계를 극복하는 것.
• 단일 프로세서에서 앤실라 큐트리트 없이 보편적인 양자 알고리즘—Deutsch-Jozsa, Bernstein-Vazirani, 그리고 Grover의 검색—을 구현하는 것.
• 두 단계의 Grover의 진폭 증폭을 구현하여 비구조적 검색에서 고전적 한계를 초월하는 성공 확률을 달성함으로써 양자 우위를 확보하는 것.

제안 방법

• |2⟩ 상태의 장수 분산 시간을 유지하기 위해 큰 조셉슨 에너지 대 충전 에너지 비율(>90)을 갖는 트랜스몬 큐트리트를 사용한다.
• SQUID 기반의 조절 가능한 인덕터를 통한 선형 파라메트릭 커퍼를 활용하여 다중 모드 비틀림 및 두 광자 수축 유사 작동을 가능하게 하여 9차원 힐버트 공간에서의 완전한 연결성을 확보한다.
• 레지온기의 마이크로파 레이저 펄스를 사용해 단일 큐트리트 연산을 수행하고, SQUID의 파라메트릭 조절을 통해 제어 위상 및 얽힘 게이트를 생성한다.
• 레지언기와 전송 측정을 통한 디스퍼시브 읽기 방식을 사용하여 큐트리트 상태를 투영하며, 교차-Kerr 및 ZZ 상호작용을 최소화하기 위해 校정을 실시한다.
• 고대역폭 AWG와 고온에서의 필터링(에코소브, SIPF, 순환기)을 포함한 마스터 트리거 시스템을 도입하여 노이즈와 다중신호 간섭을 억제한다.
• 실험적으로 측정한 매개변수를 사용해 마스터 방정식 시뮬레이션을 수행하여 분산, 동적 ZZ, 유출 등의 오류 원인을 모델링하고 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랜스몬 큐트리트와 파라메트릭 커플링을 사용하여 완전히 프로그래밍 가능한 두 큐트리트 초전도 양자 프로세서를 실현할 수 있는가?
• RQ2 단일 프로세서에서 앤실라 큐트리트 없이 보편적인 두 큐트리트 양자 알고리즘을 구현할 수 있는가?
• RQ3 두 단계의 Grover의 진폭 증폭이 초전도 큐트리트 플랫폼에서 고전적 한계를 초월하는 성공 확률을 달성할 수 있는가?
• RQ4 성능을 제한하는 주요 오류 원인은 무엇이며, 이를 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 파라메트릭 커플링이 9차원 힐버트 공간에서의 완전한 연결성을 가능하게 하여 효율적인 게이트 구현을 가능하게 하는가?

주요 결과

• Grover의 검색에서 한 단계일 경우 성공 확률이 93.27%로 고전적 한계를 크게 초월하였고, 두 단계일 경우 94.46%에 도달하였다.
• 두 단계의 진폭 증폭이 고전적으로는 실현 불가능한 성공률을 향상시켜 비구조적 검색에서의 양자 우위를 입증하였다.
• Grover의 검색에 대한 실험 결과는 마스터 방정식 시뮬레이션과 통계적으로 93.27%와 94.46%의 겹침을 보였으며, 각각 한 단계 및 두 단계에 해당한다.
• 분산 노이즈가 주요 오류 원인으로 규명되었으며, 총 게이트 시간(2.11 μs)이 큐트리트 람버트 시간과 근접해 있었다.
• 동적 및 정적 ZZ 상호작용이 게이트 비정확도에 상당한 기여를 하였으며, 측정 가능한 $ZZ$ 항이 단일 큐트리트 및 이중 큐트리트 게이트 성능에 영향을 미쳤다.
• 에너지 갭이 크고 게이트 속도가 갭에 비해 낮기 때문에 비계산 상태로의 유출은 무시할 만큼 미미한 것으로 밝혀졌다.