[논문 리뷰] Random access quantum information processors

Ravi Naik, Nelson L. C. Leung외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 45인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 단일 트랜스몬 큐비트를 사용하여 9모드 조화오실레이터 메모리에서 보편 양자 연산을 수행할 수 있는 랜덤 액세스 초전도 양자 정보 처리기를 구현한다. 매개변수적 플럭스 조절을 통해 트랜스몬을 특정 고유모드에 선택적으로 결합함으로써, 고정밀도의 임의의 쌍별 얽힘 게이트를 실현하고 최대 7모드까지 다중모드 벨 및 GHZ 상태를 준비함으로써, 장수명의 양자 메모리와 함께 확장 가능하고 유연하며 자원 효율적인 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Qubit connectivity is an important property of a quantum processor, with an ideal processor having random access -- the ability of arbitrary qubit pairs to interact directly. Here, we implement a random access superconducting quantum information processor, demonstrating universal operations on a nine-bit quantum memory, with a single transmon serving as the central processor. The quantum memory uses the eigenmodes of a linear array of coupled superconducting resonators. The memory bits are superpositions of vacuum and single-photon states, controlled by a single superconducting transmon coupled to the edge of the array. We selectively stimulate single-photon vacuum Rabi oscillations between the transmon and individual eigenmodes through parametric flux modulation of the transmon frequency, producing sidebands resonant with the modes. Utilizing these oscillations for state transfer, we perform a universal set of single- and two-qubit gates between arbitrary pairs of modes, using only the charge and flux bias of the transmon. Further, we prepare multimode entangled Bell and GHZ states of arbitrary modes. The fast and flexible control, achieved with efficient use of cryogenic resources and control electronics, in a scalable architecture compatible with state-of-the-art quantum memories is promising for quantum computation and simulation.

연구 동기 및 목표

• 다수의 양자 메모리 모드에 액세스할 수 있는 중심 프로세서를 활용하여 높은 큐비트 연결성을 갖춘 확장 가능한 양자 아키텍처를 개발한다.
• 초전도 양자 프로세서에서 근처 큐비트 간 결합의 한계를 극복하기 위해 임의의 큐비트 쌍 상호작용을 가능하게 한다.
• 단일 트랜스몬 큐비트와 그 제어 파rameter만을 사용하여 다중모드 조화오실레이터 메모리에서 보편 양자 연산—단일 및 이중큐비트 게이트—를 수행한다.
• 다중 모드 간 고정밀도 상태 전송과 얽힘 생성을 실현하여 양자 시뮬레이션 및 오류 보정 분야의 응용을 가능하게 한다.

제안 방법

• 고유모드의 포크 상태에 정보를 인코딩하는 강하게 결합된 11개의 초전도 공진기로 이루어진 선형 배열을 사용하여 다중모드 양자 메모리를 구성한다.
• 배열의 끝부분에 결합된 단일 가변 트랜스몬 큐비트를 중심 프로세서로 활용하여, 매개변수적 플럭스 조절을 통해 개별 모드에 선택적으로 결합한다.
• 주파수 선택적 매개변수 제어를 통해 트랜스몬과 개별 공진기 모드 사이의 진공 라비 진동을 유도함으로써 상태 전송 및 단일 모드 연산을 실현한다.
• 트랜스몬의 비선형성과 고차원 상태를 활용하여 임의의 쌍의 모드 간 제어-상태(CZ) 및 제어-노트(CX) 게이트를 시행한다.
• 조건부 광자 생성 및 트랜스몬의 얽힘 해리 프로토콜을 적용하여 다중 모드에서 최대 얽힘 벨 및 GHZ 상태를 생성한다.
• 게이트의 정밀도와 얽힘 상태 준비의 정확성을 검증하기 위해 전체 양자 상태 단층 촬영을 실시하였으며, 벨 상태의 경우 정밀도 F = 0.75로 측정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 트랜스몬 큐비트는 초전도 회로에서 다수의 원거리 조화오실레이터 모드에 대해 보편 양자 연산을 수행할 수 있는가?
• RQ2 초전도 양자 프로세서에서 인접하지 않은 모드 간에 임의의 쌍별 얽힘 게이트를 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 중앙 프로세서 아키텍처를 사용하여 다중모드 얽힘 상태의 준비 정밀도와 확장 가능성은 어떠한가?
• RQ4 매개변수적 플럭스 조절은 개별 공진기 고유모드에 대해 선택적이고 고정밀도로 결합하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 이 아키텍처는 장수명의 다중모드 얽힘을 요구하는 미래의 양자 오류 보정 코드를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 트랜스몬 큐비트의 전하 및 플럭스 비아를 조절하기만 하여도 9개의 메모리 모드 중 어느 쌍이라도 보편적인 단일 및 이중큐비트 게이트를 구현할 수 있다.
• 전체 양자 상태 단층 촬영을 통해 정밀도 F = 0.75인 벨 상태가 준비되었음을 확인하였다.
• 최대 7개의 모드에 걸쳐 다중모드 GHZ 상태가 생성되었으며, 목표 상태에서의 인구 오차는 θ = π/2로 측정되었다.
• 추가 비용 없이도 어떤 두 모드 사이의 얽힘 게이트를 모두 실현할 수 있어, 장거리 큐비트 연산에서 이웃 큐비트 아키텍처를 뛰어넘는 정밀도를 확보하였다.
• 큐비트에 비해 메모리 모드의 양자 상태 유지 시간이 100배 향상되어 장수명의 양자 정보 저장을 가능하게 하였다.
• 이 방법은 3D 캐비티와 고차원 양자 오류 보정 코드(예: 캣 코드 및 바이노미얼 코드)와도 호환되며 확장 가능하다.