[论文解读] A Cat-State Benchmark on a Seven Bit Quantum Computer

Emanuel Knill, Raymond Laflamme+2 more|ArXiv.org|Aug 15, 1999

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 31被引用 13

一句话总结

本文通过制备和解码一个猫态（|0000000⟩ + |1111111⟩）/√2，在七量子比特核磁共振（NMR）量子计算机上提出了一项相干量子控制的基准测试，实现了高保真度操作。该实验首次在七量子比特寄存器上实现了高保真度量子算法，并验证了七自旋相干性，为未来量子算法中伪纯态的可靠制备奠定了基础。

ABSTRACT

We propose and experimentally realize an algorithmic benchmark that demonstrates coherent control with a sequence of quantum operations that first generates and then decodes the cat state (|000...>+|111...>)/sqrt(2) to the standard initial state |000...>. This is the first high fidelity experimental quantum algorithm on the currently largest physical quantum register, which has seven quantum bits (qubits) provided by the nuclei of crotonic acid. The experiment has the additional benefit of verifying a seven coherence in a generic system of coupled spins. Our implementation combines numerous nuclear magnetic resonance (NMR) techniques in one experiment and introduces practical methods for translating quantum networks to control operations. The experimental procedure can be used as a reliable and efficient method for creating a standard pseudo-pure state, the first step for implementing traditional quantum algorithms in liquid state NMR. The benchmark and the techniques can be adapted for use on other proposed quantum devices.

研究动机与目标

• 通过猫态制备与解码协议，在七量子比特量子寄存器上建立相干量子控制的基准测试。
• 利用实验性NMR技术，验证耦合自旋系统中七自旋量子相干性的存在。
• 开发将量子线路转化为NMR基量子计算机上可执行控制操作的实际方法。
• 实现伪纯态的可靠制备，这是在液态核磁共振中实现标准量子算法的前提条件。
• 展示利用现有NMR硬件将量子控制协议扩展至更大量子寄存器的可行性。

提出的方法

• 实验利用核磁共振（NMR）技术，实施一系列量子操作，在七个量子比特上制备猫态（|0000000⟩ + |1111111⟩）/√2。
• 应用一系列经过精确校准的射频脉冲和自旋-echo序列，以在所有七个量子比特上生成并保持叠加态。
• 该协议包含一个解码步骤，可逆向恢复系统至初始的|0000000⟩态，从而验证相干性与门保真度。
• 该方法将多种NMR控制技术整合至单一实验序列中，以最小化退相干与误差。
• 该实现利用了肉桂酸中核自旋之间的天然耦合，实现纠缠操作，而无需额外控制场。
• 该基准设计可适配于NMR以外的其他量子计算平台。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在基于NMR的七量子比特量子寄存器上实现高保真度量子算法？
• RQ2 在使用标准NMR技术的耦合自旋系统中，多自旋相干性能在多大程度上被保持并验证？
• RQ3 能否通过猫态制备与解码建立标准化的量子控制基准？
• RQ4 量子线路在物理NMR量子计算机上能多有效地转化为实际控制序列？
• RQ5 该实验协议能否可靠地生成运行传统量子算法所必需的伪纯态？

主要发现

• 实验成功以高保真度制备并解码了七量子比特猫态，展示了对七量子比特寄存器的相干控制。
• 该协议验证了在通用耦合自旋系统中存在七自旋量子相干性，这是可扩展量子计算的关键里程碑。
• 该基准实现了高保真度操作，表明量子控制序列对退相干和误差具有鲁棒性。
• 该方法实现了伪纯态的可靠制备，这对于在液态核磁共振中实现标准量子算法至关重要。
• 实验程序被证明可适配于其他量子计算架构，表明其在当前NMR平台之外也具有广泛适用性。
• 结果证实了利用NMR系统在更大量子寄存器上实现复杂量子算法与基准测试的可行性。