[論文レビュー] Realization of two-qutrit quantum algorithms on a programmable superconducting processor

Tanay Roy, Ziqian Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、トランスモンキュートリットとパラメトリック結合器を用いて、完全にプログラマブルな2キューツの超伝導量子プロセッサを実装し、ユニバーサル2キューツゲートを実現した。アンシラフリーのプロトコルを用いて、デュイシュ＝ジョズサ、バーラインズ＝ヴァジラニ、グローバーの探索アルゴリズムを高精度で実装した。これは、キューツに基づくグローバー探索の初の実験的実現であり、2段階の振幅増幅を経て、古典的手法の成功確率を超える性能を達成した。

ABSTRACT

Processing quantum information using quantum three-level systems or qutrits as the fundamental unit is an alternative to contemporary qubit-based architectures with the potential to provide significant computational advantages. We demonstrate a fully programmable two-qutrit quantum processor by utilizing the third energy eigenstates of two transmons. We develop a parametric coupler to achieve excellent connectivity in the nine-dimensional Hilbert space enabling efficient implementations of two-qutrit gates. We characterize our processor by realizing several algorithms like Deutsch-Jozsa, Bernstein-Vazirani, and Grover's search. Our efficient ancilla-free protocols allow us to show that two stages of Grover's amplification can improve the success rates of an unstructured search with quantum advantage. Our results pave the way for building fully programmable ternary quantum processors using transmons as building blocks for a universal quantum computer.

研究の動機と目的

• トランスモンキューツを用いたスケーラブルなユニバーサル量子計算のための完全にプログラマブルな2キューツ超伝導量子プロセッサを開発すること。
• 超伝導クイディットアーキテクチャにおける接続性とゲート精度の制限を克服するため、完全なヒルベルト空間へのアクセスを可能にするパラメトリック結合器を実装すること。
• アンシラキューツを用いずに、1つのプロセッサ上でユニバーサル量子アルゴリズム（デュイシュ＝ジョズサ、バーラインズ＝ヴァジラニ、グローバーの探索）を実装すること。
• 2段階のグローバーの振幅増幅を実装することで、非構造的探索において古典的手法の限界を超える成功確率を達成し、量子優位性を実現すること。

提案手法

• |2⟩状態のデcoh時間の長さを維持するため、ジョセフソンエネルギー対チャージングエネルギーラベル比が90以上であるトランスモンキューツを用いる。
• SQUIDベースの可調インダクタを介した線形パラメトリック結合器により、マルチモードビームスプリッターや2光子スリーシングに類似した操作を実現し、9次元ヒルベルト空間における完全な接続性を達成する。
• レゾネータにマイクロ波パルスを適用して1キューツ操作を実行し、SQUIDのパラメトリック変調を用いて制御位相ゲートおよびエンタングルゲートを生成する。
• レゾネータを介した分散的読み出しと透過測定を用いてキューツ状態を射影し、クロス-Kerr相互作用やZZ相互作用を最小限に抑えるためにキャリブレーションを実施する。
• 高帯域幅のAWGと冷媒内フィルタリング（Eccosorb、SIPF、サーキュレータ）を備えたマスタートリガー・システムを用いて、ノイズとクロストークを抑制する。
• 実験的に測定されたパrameterを用いてマスター方程式のシミュレーションを実行し、デコherence、ダイナミックZZ、漏れなど、誤り要因をモデル化・検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トランスモンキューツとパラメトリック結合を用いて、完全にプログラマブルな2キューツ超伝導量子プロセッサを実現できるか？
• RQ2 1つのプロセッサ上でアンシラキューツを用いずに、ユニバーサル2キューツ量子アルゴリズムを実装できるか？
• RQ3 2段階のグローバーの振幅増幅が、超伝導キューツプラットフォーム上で古典的手法の限界を超える成功確率を達成できるか？
• RQ4 2キューツクイディットプロセッサの性能を制限する主要な誤り要因は何か。それらは正確にモデル化可能か？
• RQ5 パラメトリック結合が、9次元ヒルベルト空間における完全な接続性を実現し、効率的なゲート実装を可能にするか？

主な発見

• 1段階のグローバー探索では93.27%、2段階では94.46%の成功確率を達成し、古典的手法の限界を著しく上回った。
• 2段階の振幅増幅により、古典的手法では到達不可能な成功確率に到達し、非構造的探索における量子優位性を実証した。
• グローバー探索の実験結果は、マスター方程式シミュレーションと一致し、1段階と2段階のそれぞれで統計的重なり度が93.27%および94.46%であった。
• デコherenceノイズが主な誤り要因であると特定され、全ゲート時間（2.11 μs）がキューツラムゼイ時間に近づいていた。
• ダイナミックおよびスタティックなZZ相互作用がゲート不正確性に顕著に寄与し、単一キューツおよび2キューツゲート両方の性能に影響を与える測定可能な$ZZ$項が存在した。
• エネルギー差が大きく、ゲートレートが差の相対的に低いことから、非計算状態への漏れは無視できるほど小さかった。