[论文解读] Programming a quantum computer with quantum instructions

Morten Kjærgaard, Mollie E. Schwartz+21 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 23被引用 17

一句话总结

该论文首次实现了同态量子计算的实验验证，其中量子指令被编码在量子态中，并通过保真度达99.7%的受控相位门实现的密度矩阵指数化（DME）协议执行。该方法在电路深度超过70时实现了超过90%的算法保真度，避免了昂贵的层析重建，并为量子主成分分析和纠缠谱测量等量子算法实现了指数级加速。

ABSTRACT

The equivalence between the instructions used to define programs and the input data on which the instructions operate is a basic principle of classical computer architectures and programming. Replacing classical data with quantum states enables fundamentally new computational capabilities with scaling advantages for many applications, and numerous models have been proposed for realizing quantum computation. However, within each of these models, the quantum data are transformed by a set of gates that are compiled using solely classical information. Conventional quantum computing models thus break the instruction-data symmetry: classical instructions and quantum data are not directly interchangeable. In this work, we use a density matrix exponentiation protocol to execute quantum instructions on quantum data. In this approach, a fixed sequence of classically-defined gates performs an operation that uniquely depends on an auxiliary quantum instruction state. Our demonstration relies on a 99.7% fidelity controlled-phase gate implemented using two tunable superconducting transmon qubits, which enables an algorithmic fidelity surpassing 90% at circuit depths exceeding 70. The utilization of quantum instructions obviates the need for costly tomographic state reconstruction and recompilation, thereby enabling exponential speedup for a broad range of algorithms, including quantum principal component analysis, the measurement of entanglement spectra, and universal quantum emulation.

研究动机与目标

• 建立一种实现同态性的量子计算架构，将量子指令视为量子数据处理。
• 克服在需要动态指令生成的量子算法中，经典态层析与重新编译带来的指数级开销。
• 展示一种可扩展且实验可行的方法，用于执行指令编码在量子态而非经典比特串中的量子程序。
• 利用保真度高的超导量子比特与量子测量技术，验证DME2协议的可行性。
• 通过消除经典编译瓶颈，实现在量子主成分分析与纠缠谱测量等量子算法中的指数级加速。

提出的方法

• 利用密度矩阵指数化（DME）协议，在目标量子数据上执行编码在辅助量子态中的量子指令。
• 采用固定序列的经典定义门，根据量子指令态的条件作用，实现依赖于指令量子态的酉演化。
• 利用保真度达99.7%的可调超导受控相位门作为实现DME协议的核心量子门。
• 应用模拟量子测量技术，在无需完整态层析的情况下准备和验证量子指令态。
• 采用包含9个超导transmon量子比特的量子处理器实现DME2算法，其中指令态被制备为计算基态的叠加态。
• 使用过程层析与保真度基准，将实验结果与理想化模拟和理论模型进行比较，验证不同指令设置下的算法性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在量子数据上直接编码并执行量子指令，实现在量子计算中的真正同态性？
• RQ2 DME2协议是否在量子算法中实现了相对于经典编译与态层析的指数级加速？
• RQ3 使用超导量子比特时，量子指令执行在多大电路深度仍能保持高保真度？
• RQ4 DME2协议的保真度如何随角度参数θ和电路深度变化？
• RQ5 DME2协议能否仅通过一组固定经典控制脉冲与动态编码的量子指令态实现？

主要发现

• DME2协议在θ = π/2时达到0.91的保真度，在θ = π时达到0.87，证明了在所有指令设置下均实现了高保真度执行。
• 当电路深度超过70时，算法保真度超过90%，在深度73时输出态保真度仍高于0.9。
• 与DME2的经典模拟相比，实验实现的保真度为θ = π/2时0.91，θ = π时0.87，证实了在不同指令态下的鲁棒性。
• 该协议绕过了昂贵的态层析与重新编译需求，为量子算法实现指数级加速提供了直接路径。
• 99.7%保真度的受控相位门在实现高保真度执行中起到了关键作用，且误差增长与理论预期一致。
• 结果验证了使用量子态作为指令的可行性，确立了一种可扩展、自包含的新型量子编程范式。