[논문 리뷰] Universal digital photonic single-qubit quantum channel simulator

Lu He, Chang Liu외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 임의의 단일 큐비트 양자 채널을 위한 첫 번째 실험적 디지털 양자 시뮬레이터를 제안한다. 이 시뮬레이터는 보편적인 단일 큐비트 게이트 집합과 단일 두 큐비트 얽힘 게이트를 사용한다. 이 시뮬레이터를 통해 어떤 단일 큐비트 채널이라도 효율적이고 정확하게 컴파일하고 프로그래밍할 수 있으며, 하미르토니안 기반 시뮬레이터를 채널 기반 디지털 양자 시뮬레이션으로 일반화하여 양자 계산 및 시뮬레이션 분야에 광범위한 응용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Quantum simulators, which exploit quantum effects to reveal unknown or difficult-to-compute properties of a model of interest, play a significant role in quantum information science. Quantum simulation of the dynamics of many-body system has been widely studied for various quantum computing systems, including cold atoms, trapped ions and photons. However, simulation of quantum channels, which describes one of the most general quantum processes in realistic systems, has not yet been fully explored, even for single-qubit channels. Here we report the first experimental digital quantum simulator of arbitrary single-qubit channels. We built this simulator with a set of single-qubit gates together with a single two-qubit entangling gate. We show that any single-qubit channel can be efficiently and accurately programmed and compiled by our simulator. Our scheme generalizes Hamiltonian-based simulators to channel-based digital quantum simulators, which could have important applications in quantum computation and quantum simulation.

연구 동기 및 목표

• 모든 단일 큐비트 양자 채널을 모방할 수 있는 보편적인 디지털 양자 시뮬레이터를 개발하는 것.
• 기존의 하미르토니안 기반 양자 시뮬레이터의 한계를 극복하여, 양자 채널과 같은 일반적인 양자 과정을 완전히 다루지 못하는 문제를 해결하는 것.
• 물리적 양자 시스템에서 임의의 단일 큐비트 채널에 대해 효율적이고 정확한 프로그래밍과 컴파일링을 가능하게 하는 것.
• 단위원 동역학을 넘어서 비단위원, 개방 양자 시스템 과정인 디코herence 및 소산을 포함한 디지털 양자 시뮬레이션의 범위를 확장하는 것.

제안 방법

• 시뮬레이터는 필요한 양자 채널 역학을 구성하기 위해 보편적인 단일 큐비트 양자 게이트 집합을 사용한다.
• 일반적인 양자 채널을 시뮬레이션하기 위해 필요한 비단위원 동작을 구현하기 위해 단일 두 큐비트 얽힘 게이트를 사용한다.
• 디지털 시뮬레이션 프레임워크를 통해 채널을 양자 연산의 순서로 컴파일하여 프로그래머블한 구현을 가능하게 한다.
• 이 방법은 디지털 양자 시뮬레이션을 단위원 진동에서 임의의 완전히 양성적이고 트레이스를 보존하는 사상으로 일반화한다.
• 아키텍처는 광학 시스템을 포함한 다양한 양자 플랫폼에 적응 가능하도록 스케일러블하도록 설계되어 있다.
• 시뮬레이터는 모든 양자 채널을 확대된 하이르베르트 공간에서의 단위원 진동으로 표현할 수 있는 스티네싱 스파이널 정리(Stinespring dilation theorem)를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확하게 어떤 임의의 단일 큐비트 양자 채널이라도 모의할 수 있는 디지털 양자 시뮬레이터를 구축할 수 있는가?
• RQ2 보편적인 양자 게이트 집합과 단일 두 큐비트 얽힘 게이트를 어떻게 조합하여 일반적인 양자 채널을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 이 디지털 시뮬레이션 프레임워크를 사용해 임의의 단일 큐비트 채널을 컴파일할 때의 효율성과 정확도는 어떠한가?
• RQ4 이 방법은 디지털 양자 시뮬레이션의 범위를 단위원 진동을 넘어서 비단위원, 개방 시스템 역학을 포함하도록 어떻게 확장하는가?
• RQ5 이 시뮬레이터는 실제 노이즈가 있는 환경에서의 양자 계산 및 양자 시뮬레이션에 대해 실용적인 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 시뮬레이터는 최소한의 게이트 집합을 사용하여 높은 정확도로 어떤 단일 큐비트 양자 채널이라도 성공적으로 모의한다.
• 단일 두 큐비트 얽힘 게이트의 포함으로 개방 양자 시스템을 모델링하는 데 필수적인 비단위원 역학을 시뮬레이션할 수 있다.
• 디지털 컴파일 방법을 통해 임의의 채널에 대한 효율적인 프로그래밍이 가능하며, 원칙적으로 스케일러비리티를 입증한다.
• 이 방법은 하미르토니안 기반 시뮬레이터를 채널 기반 디지털 양자 시뮬레이션으로 일반화하여 양자 시뮬레이션의 범위를 넓힌다.
• 실험적 실현은 광학 양자 시스템에서 일반적인 양자 과정을 시뮬레이션하는 가능성에 대한 타당성을 확인한다.
• 이 방법은 임의의 단일 큐비트 채널을 시뮬레이션하기 위한 보편적 프레임워크를 제공하며, 양자 오류 완화 및 노이즈 특성 분석 분야의 새로운 응용 가능성을 열어준다.