[論文レビュー] Universal quantum circuit for n-qubit quantum gate: A programmable quantum gate

Paulo Benicio Melo de Sousa, Rubens Viana Ramos|ArXiv.org|Feb 21, 2006

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、パrameter調整によって任意のn量子ビットユニタリ操作を実装できる汎用量子回路を提案する。これはプログラマブルな量子ゲートとして機能する。固定されたアーキテクチャにパラメータを設定することで、1つのハードウェアプラットフォームが多様な量子操作を実行可能となり、量子コンピューティングシステムにおける実現可能性とスケーラビリティを考慮した光技術による実装が提案されている。

ABSTRACT

Quantum computation has attracted much attention, among other things, due to its potentialities to solve classical NP problems in polynomial time. For this reason, there has been a growing interest to build a quantum computer. One of the basic steps is to implement the quantum circuit able to realize a given unitary operation. This task has been solved using decomposition of unitary matrices in simpler ones till reach quantum circuits having only single-qubits and CNOTs gates. Usually the goal is to find the minimal quantum circuit able to solve a given problem. In this paper we go in a different direction. We propose a general quantum circuit able to implement any specific quantum circuit by just setting correctly the parameters. In other words, we propose a programmable quantum circuit. This opens the possibility to construct a real quantum computer where several different quantum operations can be realized in the same hardware. The configuration is proposed and its optical implementation is discussed.

研究の動機と目的

• パrameter調整によって任意のn量子ビットユニタリ操作を実現できる汎用量子回路を設計すること。
• 回路構造の再構成なしに、1つの量子ハードウェアプラットフォームが複数の異なる量子操作を実行できることを実現すること。
• このようなプログラマブルなゲートを光量子システムを用いて実装する可能性を検討すること。
• 最小限の固定量子回路アーキテクチャを用いて、再構成可能な量子コンピュータを構築するスケーラブルなフレームワークを提供すること。

提案手法

• 提案された回路は、目的のユニタリ操作を符号化する可変パラメータを有する固定量子ネットワーク構造である。
• 単一量子ビット回転と制御NOT（CNOT）ゲートを含む基本量子ゲートに基づく分解戦略を用いる。
• 適切なパラメータ設定により任意のn量子ビットユニタリ行列が合成可能であることを保証することで、回路の普遍性を実現する。
• ビームスプリッターや位相シフトャーなどの線形光量子計算（LOQC）コンponentsを用いて、必要なユニタリ変換を実現する。
• ゲートパラメータを調整することで、任意のユニタリ操作を任意の精度で近似できることを示すことにより、回路の普遍性を実証する。
• 動的回路再構成の必要性を回避し、機能の多様性をパラメータ制御に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パrameter調整によって、1つの量子回路が任意のn量子ビットユニタリ操作を実装可能か？
• RQ2 すべてのn量子ビット操作に普遍性を達成できる最小限の固定量子アーキテクチャは何か？
• RQ3 このようなプログラマブルな量子ゲートは、特に光量子システムにおいて物理的に実装可能か？
• RQ4 汎用的でプログラマブルな量子回路の文脈において、パラメータ精度とゲート忠実度の制約は何か？

主な発見

• 提案された量子回路は普遍的であり、パラメータの調整によって任意のn量子ビットユニタリ操作を実装可能である。
• 回路構造は固定されたままであり、機能は完全にパラメータ設定によって再構成可能であるため、多様な量子アルゴリズムにおけるハードウェア再利用が可能である。
• ビームスプリッターや位相シフトャーなどの標準的な線形光学素子を用いた光技術による実装が提案されており、フォトニック量子コンピューティングにおける実現可能性が示された。
• 量子ゲートの動的再構成の必要性を回避することで、ハードウェア設計と制御が簡素化される。
• 単一のプログラマブルな量子回路アーキテクチャを用いて、再構成可能な量子コンピュータを構築するスケーラブルなフレームワークを提供する。