[논문 리뷰] Universal quantum circuit for n-qubit quantum gate: A programmable quantum gate

Paulo Benicio Melo de Sousa, Rubens Viana Ramos|ArXiv.org|2006. 02. 21.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 매개변수 조정을 통해 어떤 n-qubit 유니터리 연산도 구현할 수 있는 유니버설 양자 회로를 제안한다. 이는 프로그래밍 가능한 양자 게이트로 기능하며, 고정된 아키텍처에 가변 매개변수를 적용하여 하나의 하드웨어 플랫폼이 다양한 양자 연산을 수행할 수 있도록 한다. 또한, 양자 컴퓨팅 시스템에서의 구현 가능성과 확장성을 고려해 광학적 구현 방안을 제안한다.

ABSTRACT

Quantum computation has attracted much attention, among other things, due to its potentialities to solve classical NP problems in polynomial time. For this reason, there has been a growing interest to build a quantum computer. One of the basic steps is to implement the quantum circuit able to realize a given unitary operation. This task has been solved using decomposition of unitary matrices in simpler ones till reach quantum circuits having only single-qubits and CNOTs gates. Usually the goal is to find the minimal quantum circuit able to solve a given problem. In this paper we go in a different direction. We propose a general quantum circuit able to implement any specific quantum circuit by just setting correctly the parameters. In other words, we propose a programmable quantum circuit. This opens the possibility to construct a real quantum computer where several different quantum operations can be realized in the same hardware. The configuration is proposed and its optical implementation is discussed.

연구 동기 및 목표

• 매개변수 조정을 통해 어떤 n-큐비트 유니터리 연산도 실현할 수 있는 유니버설 양자 회로를 설계하는 것.
• 회로 구조의 재구성 없이도 동일한 양자 하드웨어 플랫폼이 여러 개별적인 양자 연산을 수행할 수 있도록 하는 것.
• 이러한 프로그래밍 가능한 게이트를 광학적 양자 시스템을 사용해 실제로 어떻게 실현할 수 있는지 탐색하는 것.
• 최소한의 고정된 양자 회로 아키텍처로 재구성 가능한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 확장 가능한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 제안된 회로는 목적의 유니터리 연산을 인코딩하는 가변 매개변수를 가진 고정된 양자 네트워크로 구성된다.
• 기본 양자 게이트, 즉 단일 큐비트 회전과 제어-NOT(CNOT) 게이트를 기반으로 한 분해 전략을 사용한다.
• 적절한 매개변수 설정을 통해 임의의 n-큐비트 유니터리 행렬을 합성할 수 있도록 하여, 회로가 유니버설이 되도록 설계된다.
• 선형 광학 양자 컴퓨팅(LOQC) 구성 요소인 비틀기 분할기와 위상 이동기 등을 사용하여 필요한 유니터리 변환을 실현한다.
• 게이트 매개변수를 조정하여 어떤 유니터리 연산도 임의의 정밀도로 근사화할 수 있음을 보여줌으로써, 회로의 유니버설리티를 입증한다.
• 동적 회로 재구성의 필요성을 피하고, 기능적 다양성은 매개변수 제어에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매개변수 조정을 통해 하나의 양자 회로로 어떤 n-큐비트 유니터리 연산도 수행할 수 있는가?
• RQ2 모든 n-큐비트 연산에 대해 유니버설리티를 달성할 수 있는 최소한의 고정된 양자 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 이러한 프로그래밍 가능한 양자 게이트는 특히 광학적 양자 시스템에서 어떻게 물리적으로 실현될 수 있는가?
• RQ4 유니버설 프로그래밍 가능한 양자 회로의 맥락에서 매개변수 정밀도와 게이트 품질에 대한 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 양자 회로는 유니버설하여, 매개변수 조정만으로 어떤 n-큐비트 유니터리 연산도 수행할 수 있다.
• 회로 구조는 고정되어 있으며, 功能은 오직 매개변수 설정에 의해 재구성되므로 다양한 양자 알고리즘에 걸쳐 하드웨어 재사용이 가능하다.
• 비틀기 분할기와 위상 이동기와 같은 표준 선형 광학 요소를 사용한 광학적 실현 방안이 제안되어 광학적 양자 컴퓨팅에서의 구현 가능성을 입증한다.
• 동적 회로 재구성의 필요성을 피함으로써 하드웨어 설계와 제어를 단순화한다.
• 단일 프로그래밍 가능한 양자 회로 아키텍처를 사용하여 재구성 가능한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 확장 가능한 프레임워크를 제공한다.