[论文解读] Demonstration of a programmable quantum computer module

Shantanu Debnath, Norbert M. Linke+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 8

一句话总结

该论文展示了一个五量子比特离子阱量子计算机模块，可通过软件编程执行任意量子算法，使用本征的全连接通用量子门，保真度平均达98%。该系统在Deutsch-Jozsa算法和Bernstein-Vazirani算法上的成功率分别达到95%和90%，并实现了保真度分别为62%和84%的相位估计算法与周期寻找的相干量子傅里叶变换。

ABSTRACT

Quantum computers can solve certain problems more efficiently than any possible conventional computer. Small quantum algorithms have been demonstrated on multiple quantum computing platforms, many specifically tailored in hardware to implement a particular algorithm or execute a limited number of computational paths. Here, we demonstrate a five-qubit trapped-ion quantum computer that can be programmed in software to implement arbitrary quantum algorithms by executing any sequence of universal quantum logic gates. We compile algorithms into a fully-connected set of gate operations that are native to the hardware and have a mean fidelity of 98 %. Reconfiguring these gate sequences provides the flexibility to implement a variety of algorithms without altering the hardware. As examples, we implement the Deutsch-Jozsa (DJ) and Bernstein-Vazirani (BV) algorithms with average success rates of 95 % and 90 %, respectively. We also perform a coherent quantum Fourier transform (QFT) on five trappedion qubits for phase estimation and period finding with average fidelities of 62 % and 84 %, respectively. This small quantum computer can be scaled to larger numbers of qubits within a single register, and can be further expanded by connecting several such modules through ion shuttling or photonic quantum channels.

研究动机与目标

• 开发一种灵活且可重构的量子计算平台，支持任意量子算法的执行而无需硬件更改。
• 在离子阱系统中通过全连接的门集实现高保真度的通用量子门操作。
• 通过实现Deutsch-Jozsa和Bernstein-Vazirani等基准量子算法，验证平台的能力。
• 展示如相位估计和周期寻找等可扩展量子算法的量子傅里叶变换性能。
• 通过离子输运或光子互连方式建立模块化架构，为未来扩展奠定基础。

提出的方法

• 系统使用五个被捕获的40Ca+离子作为量子比特，通过激光驱动的拉曼跃迁实现量子逻辑门。
• 采用全连接的本征两量子比特纠缠门集（Mølmer-Sørensen型），实现通用量子计算。
• 量子算法被编译为这些本征门的序列，实现高保真度操作（平均保真度98%）。
• 平台支持通过软件重构执行不同门序列，而无需硬件修改。
• 相位估计与周期寻找通过在五量子比特寄存器上实现的相干量子傅里叶变换（QFT）完成。
• 通过使用离子输运或光子量子通道的模块化设计，实现系统可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过软件重构使离子阱量子计算机在不改变硬件的情况下实现任意量子算法？
• RQ2 在全连接的五量子比特离子阱系统中，通用量子门操作可达到的保真度是多少？
• RQ3 该平台在实现Deutsch-Jozsa和Bernstein-Vazirani等基准量子算法方面的表现如何？
• RQ4 在五量子比特系统上，用于相位估计和周期寻找的相干量子傅里叶变换性能如何？
• RQ5 是否可通过模块化集成将该系统扩展至更大规模的量子计算？

主要发现

• 本征两量子比特纠缠门的平均门保真度达到98%，支持高保真度的通用量子操作。
• Deutsch-Jozsa算法的平均成功率达到95%，表明量子处理器正确执行了该算法。
• Bernstein-Vazirani算法的平均成功率达到90%，证实了平台解决非平凡量子问题的能力。
• 相位估计算法的量子傅里叶变换平均保真度为62%，表明在完整寄存器上实现了相干操作。
• 周期寻找的QFT平均保真度达到84%，展示了其在Shor算法子程序中的实用性。
• 模块化架构通过离子输运或光子互连支持未来扩展，可实现更大规模的量子计算。