[论文解读] Experimental demonstration of the advantage of adaptive quantum circuits

Michael Foss‐Feig, Arkin Tikku+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 17

一句话总结

该论文通过实验表明，在深度为4、具有中间测量和前馈的常深度自适应量子电路可以以76.9%的保真度制备 toric code 基态，优于同深度的任何纯幺电路，其上界为50%。

ABSTRACT

Adaptive quantum circuits employ unitary gates assisted by mid-circuit measurement, classical computation on the measurement outcome, and the conditional application of future unitary gates based on the result of the classical computation. In this paper, we experimentally demonstrate that even a noisy adaptive quantum circuit of constant depth can achieve a task that is impossible for any purely unitary quantum circuit of identical depth: the preparation of long-range entangled topological states with high fidelity. We prepare a particular toric code ground state with fidelity of at least $76.9\pm 1.3\%$ using a constant depth ($d=4$) adaptive circuit, and rigorously show that no unitary circuit of the same depth and connectivity could prepare this state with fidelity greater than $50\%$.

研究动机与目标

• 通过利用经典处理来动机化并演示自适应量子电路可以降低量子资源需求。
• 证明常深度自适应电路可以在仅单位操作之外的能力下，制备长期纠缠态。
• 提供在同一硬件约束下可验证的保真度度量，以区分自适应与非自适应电路。
• 在受约束的离子阱量子计算机上实现并测试该协议，以验证理论界限。

提出的方法

• 使用 |+> 的初始数据量子比特产物态，并使用辅比特测量 Z 型稳定子以定义几何。
• 通过对 Z-stabilizer 测量结果进行条件化的 X 修正来实现经典前馈，以清除缺陷并达到基态流形。
• 使用深度为4的自适应电路来制备带有开放边界的旋转表面码的逻辑 |+> 状态。
• 通过两基底测量估计保真度，以界定与目标逻辑态的重叠。
• 与深度为4的局部单位电路界限进行比较，表明在相同几何与深度下保真度不能超过50%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同几何结构中，常深度自适应电路是否能以超过任何常深度局部单位电路的保真度来制备具有长程纠缠的 toric code 基态？
• RQ2 在相同资源约束下，哪些保真度界限能够区分自适应前馈与纯单位电路？
• RQ3 中间测量和实时经典处理如何在固定深度内实现拓扑有序态的制备？

主要发现

• 自适应深度为4的电路在 toric code 基态的保真度 F ≥ 0.769，带 ±0.013 的不确定性。
• 一个上界表明，在相同几何结构下，任何深度4的局部单位电路的保真度不能超过 0.5。
• 实验实现使用 Quantinuum H1-1 的 19 个量子比特（12 数据、7 辅比特）并具有实时经典逻辑。
• 通过 X-基与 Z-基测量得到的 P_x 和 P_z 投影来界定保真度，F 通过 F ≥ ⟨P_x⟩ + ⟨P_z⟩ − 1。
• 结果展示了自适应电路在相同深度与连通性下对比非自适应电路的可验证优势。