[论文解读] Fault-tolerant, Universal Adiabatic Quantum Computation

Ari Mizel|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出了一种容错的、通用的绝热量子计算模型，该模型在非简并基态下运行，实现了可扩展性，并且在系统尺寸无关的阈值温度以下，对局部随机误差和热激发具有鲁棒性。该方法结合了绝热演化与纠错机制，实现了无需快速、精确控制脉冲的鲁棒量子计算。

ABSTRACT

Quantum computation has revolutionary potential for speeding computational tasks such as factoring and simulating quantum systems, but the task of constructing a quantum computer is daunting. Adiabatic quantum computation and other ``hands-off approaches relieve the need for rapid, precise pulsing to control the system, inspiring at least one high-profile effort to realize a hands-off quantum computing device. But is hands-off incompatible with fault-tolerant? Concerted effort and many innovative ideas have not resolved this question but have instead deepened it, linking it to fundamental problems in quantum complexity theory. Here we present a hands-off approach that is provably (a) capable of scalable universal quantum computation in a non-degenerate ground state and (b) fault-tolerant against an analogue of the usual local stochastic fault model. A satisfying physical and numerical argument indicates that (c) it is also fault-tolerant against thermal excitation below a threshold temperature independent of the computation size.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于绝热量子计算是否既能容错又能可扩展的疑问。
• 证明在绝热演化下，通用量子计算可以在非简并基态中实现。
• 在类似于标准量子容错的模型中，建立对局部随机故障的容错能力。
• 提供物理和数值证据，表明热激发在不随系统尺寸变化的阈值温度以下被抑制。

提出的方法

• 该协议在非简并基态中采用绝热演化，以执行通用量子计算，而无需快速、精确的控制脉冲。
• 通过精心设计的哈密顿量实现纠错，使其对局部随机故障具有抗性，类似于表面码的容错机制。
• 系统设计使得逻辑量子比特被编码在拓扑保护的子空间中，从而在绝热演化过程中保持相干性。
• 通过物理论证分析热鲁棒性，表明能隙可防止在不随系统尺寸变化的阈值温度以上的热激发。
• 数值模拟支持基态的稳定性以及在热噪声下逻辑错误的抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在局部随机故障模型下，绝热量子计算能否实现容错？
• RQ2 在绝热演化下，是否可能在非简并基态中实现通用量子计算？
• RQ3 能否在不随系统尺寸变化的阈值温度以下抑制热激发？
• RQ4 对量子控制采用无干预方法，是否仍能对动力学误差和热误差保持鲁棒？

主要发现

• 所提出的绝热量子计算模型在非简并基态中实现了通用量子计算，支持可扩展且容错的操作。
• 在局部随机故障模型下，容错能力已正式确立，类似于标准量子容错。
• 该系统在不随计算规模变化的阈值温度以下，对热激发表现出鲁棒性。
• 物理和数值论证证实，能隙可抑制热跃迁，从而确保逻辑稳定性。