[논문 리뷰] Superconducting qutrit-qubit circuit: A toolbox for efficient quantum gates

Thomas Bækkegaard, Lasse Bjørn Kristensen외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 세 수준 시스템(큐트리트)을 두 큐비트와 결합하여 효율적이고 강건하며 보편적인 양자 게이트를 가능하게 하는 초전도 큐트리트-큐비트 회로를 제안한다. 이는 얽힘, Toffoli 및 Fredkin 게이트, 조건부 기하학적(홀로노믹) 게이트의 구현을 가능하게 하며, 감쇠 위험이 낮은 대규모 양자 계산을 위한 확장 가능한 도구상자를 제공한다.

ABSTRACT

As classical computers struggle to keep up with Moore's law, quantum computing may represent a big step in technology and yield significant improvement over classical computing for many important tasks. Building a quantum computer, however, is a daunting challenge since it requires good control but also good isolation from the environment to minimize decoherence. It is therefore important to realize quantum gates efficiently, using as few operations as possible, to reduce the amount of required control and operation time and thus improve the quantum state coherence. Here we propose a superconducting circuit for implementing a tunable spin chain consisting of a qutrit (three-level system analogous to spin-1) coupled to two qubits (spin-1/2). Our system can efficiently accomplish various quantum information tasks, including generation of entanglement of the two qubits and conditional three-qubit quantum gates, such as the Toffoli and Fredkin gates, which are universal for reversible classical computations. Furthermore, our system realizes a conditional geometric gate which may be used for holonomic (non-adiabatic) quantum computing. The efficiency, robustness and universality of our circuit makes it a promising candidate to serve as a building block for larger spin networks capable of performing involved quantum computational tasks.

연구 동기 및 목표

• 게이트 작동 시간과 제어 복잡성을 최소화하여 양자 계산에서 감쇠 문제를 해결하기 위해.
• 큐비트 두 개에 결합된 큐트리트를 이용한 조절 가능한 스핀 체인 아키텍처를 개발하여 게이트 효율성을 향상시키기 위해.
• 재가역적인 고전적 계산을 위해 필수적인 Toffoli 및 Fredkin 게이트를 포함한 보편적 양자 게이트를 실현하기 위해.
• 비단절적 홀로노믹 양자 계산을 가능하게 하기 위해 조건부 기하학적 게이트를 구현하기 위해.
• 복잡한 양자 작업을 수행할 수 있는 더 큰 스핀 네트워크를 위한 확장 가능한 구축 블록을 만들기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 큐트리트(세 수준 시스템)와 두 큐비트(스핀-1/2)를 결합하여 조절 가능한 스핀 체인을 형성하는 초전도 회로 설계.
• 게이트 작동을 위해 큐트리트와 큐비트 간의 상호작용을 동적 결합 제어를 통해 공학적으로 설계.
• 큐트리트의 중간 준위를 통해 매개되는 조건부 상호작용을 이용해 조건부 양자 게이트를 구현.
• 기하학적(베리) 위상의 춴적을 활용하여 홀로노믹 게이트 작동을 구현함으로써 특정 오류에 대한 강건성을 향상.
• Toffoli 및 Fredkin 게이트를 포함한 보편 게이트 세트를 가능하게 하기 위해 시스템의 수준 구조와 결합 강도를 공학적으로 설계.
• 효율적인 게이트 설계를 통해 작동 시간을 최소화하고 환경과의 결합을 줄임으로써 게이트 신뢰도와 공명 수명을 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐트리트-큐비트 시스템은 작동 시간과 제어 복잡성을 감소시켜 보편적 양자 게이트를 효율적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 조건부 기하학적 게이트는 초전도 회로에서 어떻게 실현되어 비단절적 홀로노믹 양자 계산을 가능하게 하는가?
• RQ3 큐트리트-큐비트 아키텍처는 얼마나 효과적으로 얽힘을 생성하고 Toffoli 및 Fredkin 게이트를 구현할 수 있는가?
• RQ4 큐트리트의 중간 준위는 다중 큐비트 상호작용을 매개하고 게이트 보편성을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 아키텍처는 더 큰 양자 스핀 네트워크를 위한 확장 가능한 빌딩 블록으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 큐트리트-큐비트 회로는 작동 시간과 제어 오버헤드를 줄여 두 큐비트 얽힘을 효율적으로 실현한다.
• 시스템은 Toffoli 및 Fredkin 게이트를 포함한 보편적 양자 게이트를 실현하여 재가역적인 고전적 계산에 필수적인 요소를 제공한다.
• 조건부 기하학적 게이트가 달성되어 비단절적 홀로노믹 양자 계산을 지원하며 잠재적인 오류 내성 가능성을 지닌다.
• 작동 시간을 최소화함으로써 시스템은 감쇠 위험이 낮아진 강건성을 보이며 양자 상태의 공명 수명을 향상시킨다.
• 회로 구조는 더 큰 스핀 네트워크를 구성할 수 있는 확장 가능한 플랫폼을 제공하며, 복잡한 양자 계산 작업을 수행할 수 있다.
• 큐트리트와 큐비트 간의 조절 가능한 결합은 상호작용을 동적으로 제어할 수 있게 하여 다양한 게이트 작동을 가능하게 한다.