[논문 리뷰] High-fidelity iToffoli gate for fixed-frequency superconducting qubits

Yosep Kim, Alexis Morvan외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 23.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고정 주파수 초전도 큐비트를 위한 고정밀 iToffoli 게이트를 구현하기 위해 선형 3 큐비트 체인에 동시에 마이크로파 펄스를 적용하고, 교차 공명 효과를 활용하여 98.26(2)%의 프로세스 편의도를 달성한다. 이 게이트는 유니버설 양자 계산을 가능하게 하며, 이중 큐비트 상호작용을 통한 효율적인 다중 큐비트 게이트 합성로드맵을 제시한다.

ABSTRACT

The development of noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices has extended the scope of executable quantum circuits with high-fidelity single- and two-qubit gates. Equipping NISQ devices with three-qubit gates will enable the realization of more complex quantum algorithms and efficient quantum error correction protocols with reduced circuit depth. Several three-qubit gates have been implemented for superconducting qubits, but their use in gate synthesis has been limited due to their low fidelity. Here, using fixed-frequency superconducting qubits, we demonstrate a high-fidelity iToffoli gate based on two-qubit interactions, the so-called cross-resonance effect. As with the Toffoli gate, this three-qubit gate can be used to perform universal quantum computation. The iToffoli gate is implemented by simultaneously applying microwave pulses to a linear chain of three qubits, revealing a process fidelity as high as 98.26(2)%. Moreover, we numerically show that our gate scheme can produce additional three-qubit gates which provide more efficient gate synthesis than the Toffoli and Toffoli gates. Our work not only brings a high-fidelity iToffoli gate to current superconducting quantum processors but also opens a pathway for developing multi-qubit gates based on two-qubit interactions.

연구 동기 및 목표

• 고정 주파수 초전도 큐비트를 위한 고정밀 3 큐비트 게이트를 개발하여 양자 회로의 깊이 효율성을 향상시키기.
• 현행 NISQ 장치에서 낮은 편의도를 보이는 3 큐비트 게이트의 한계를 극복하여 실용적인 양자 알고리즘 실행을 가능하게 하기.
• 더 높은 편의도와 확장 가능성을 갖춘 Toffoli 게이트에 해당하는 게이트를 구현하여 유니버설 양자 계산을 실현하기.
• 특히 교차 공명 효과를 활용한 이중 큐비트 상호작용이 고정밀 다중 큐비트 게이트 생성 잠재력을 탐색하기.
• 새로운 3 큐비트 게이트 설계를 통해 더 적은 수의 게이트로 효율적인 양자 회로 합성을 위한 확장 가능한 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• iToffoli 게이트는 고정 주파수 초전도 큐비트로 이루어진 선형 3 큐비트 체인에 동시에 마이크로파 펄스를 적용하여 구현된다.
• 게이트는 큐비트 간의 교차 공명 상호작용에 의존하여 조건부 얽힘을 유도하고 3 큐비트 논리 연산을 구현한다.
• 크로스톺킹과 게이트 오류를 최소화하기 위해 펄스 시퀀스가 최적화된다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 게이트의 파rameter 공간을 탐색하고 게이트 합성 효율성이 향상된 추가적인 3 큐비트 게이트 변형을 식별한다.
• 게이트 설계는 교차 공명 해밀토니안에서 유도된 유니터리 진동을 기반으로 하여 조건부 제어 연산을 가능하게 한다.
• 성능 검증을 위해 랜덤라이즈드 랜딩 및 양자 프로세스 톰그래피를 사용하여 프로세스 편의도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 주파수 초전도 큐비트에서 이중 큐비트 상호작용만을 사용하여 고정밀 iToffoli 게이트를 구현할 수 있는가?
• RQ2 교차 공명 펄스를 사용할 때 선형 큐비트 체인에서 3 큐비트 게이트의 최대 프로세스 편의도는 얼마인가?
• RQ3 제안된 게이트 설계는 Toffoli 게이트에 비해 게이트 합성 효율성이 향상된 다른 3 큐비트 게이트를 생성할 수 있는가?
• RQ4 3 큐비트에 동시에 펄스를 적용할 경우 초전도 아키텍처에서 게이트 편의도와 크로스톺킹에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이중 큐비트 상호작용을 얼마나 효율적으로 활용하여 유니버설 다중 큐비트 양자 연산을 수행할 수 있는가?

주요 결과

• iToffoli 게이트는 98.26(2)%의 프로세스 편의도를 달성하여 초전도 큐비트 플랫폼에서 고정밀 작동을 입증한다.
• 게이트는 직접적인 3체 상호작용이 필요 없이 오직 이중 큐비트 교차 공명 상호작용을 사용하여 실현된다.
• 수치 분석을 통해 게이트 설계가 양자 회로 합성에 있어 효율성이 향상된 추가적인 3 큐비트 게이트를 생성할 수 있음이 확인된다.
• 고정밀도는 최적화된 펄스 형상과 동시 제어로 인해 디코herence와 크로스톺킹을 감소시켜 달성된다.
• 게이트 설계는 확장 가능하며 기존 고정 주파수 큐비트를 사용하는 초전도 양자 프로세서와 호환된다.
• 결과는 이중 큐비트 상호작용을 활용하여 고정밀도로 유니버설 3 큐비트 연산을 실현할 수 있음을 검증한다.