[论文解读] Implementation of the iFREDKIN gate in scalable superconducting architecture for the quantum simulation of Fermionic systems
本文提出了一种用于可扩展量子模拟费米子系统的超导架构 SPARQS，通过最优控制（GRAPE）证明，实现模拟费米子哈密顿量的关键三量子比特纠缠门 iFREDKIN 门可在 56 ns 内完成，保真度达 99.99%。该方法实现了高效、高保真度的三量子比特纠缠操作，为超越经典计算能力的量子模拟提供了支持。
We present a Superconducting Planar ARchitecture for Quantum Simulations (SPARQS) intended to implement a scalable qubit layout for quantum simulators. To this end, we describe the iFREDKIN gate as a controlled entangler for the simulation of Fermionic systems that is advantageous if it can be directly implemented. Using optimal control, we show that and how this gate can be efficiently implemented in the SPARQS circuit, making it a promising platform and control scheme for quantum simulations. Such a quantum simulator can be built with current quantum technologies to advance the design of molecules and quantum materials.
研究动机与目标
- 开发一种用于费米子系统量子模拟的可扩展、平面化超导架构。
- 实现 iFREDKIN 门的直接应用，该门是费米子哈密顿量演化中的关键三量子比特纠缠门。
- 在真实的超导电路模型下，通过最优控制证明 iFREDKIN 门可实现高保真度、快速的实现。
- 表明 iFREDKIN 门的实现时间与标准 iSWAP 门相当，使其适用于大规模模拟。
提出的方法
- SPARQS 架构通过一个中心探测量子比特 P 与系统量子比特 S1 和 S2 通过公共总线耦合，实现了无需完全量子比特互连的全连接。
- iFREDKIN 门通过梯度上升脉冲工程（GRAPE）实现，优化控制脉冲以在真实硬件约束下实现高保真度。
- 系统哈密顿量包含可调谐失谐和非谐性的量子比特-总线耦合项，以旋转框架（ωR = ωB）建模。
- 脉冲序列以 1 ns 时间分辨率设计，并采用高斯滤波（σ = 0.4 ns），保真度通过演化态与目标门的迹重叠进行评估。
- 优化过程包含对量子比特第二激发态的泄漏，确保计算子空间中的鲁棒性。
- 在由耦合强度和失谐倒数导出的速度极限下，最小化门持续时间。
实验结果
研究问题
- RQ1iFREDKIN 门能否在具有真实参数的超导量子架构中高效实现？
- RQ2iFREDKIN 门的门时间是否与同一架构中标准 iSWAP 门的时间相当？
- RQ3即使包含向更高能级的泄漏，是否仍可实现高保真度（≥99.99%）的实现？
- RQ4所提出的 SPARQS 架构是否支持使用 iFREDKIN 门对费米子系统进行可扩展的量子模拟？
主要发现
- 通过 GRAPE 优化，iFREDKIN 门在 56 ns 内成功实现，保真度达 99.99%。
- 门持续时间仅略长于标准 iSWAP 门，表明其在量子模拟中具有高效率。
- 优化后的控制脉冲表现出高度对称性，并保持对量子比特第二激发态的低泄漏。
- 布居数的时间演化显示相干动力学，控制量子比特经历短暂的退激发与再激发，与双激发干涉过程一致。
- 速度极限分析证实，该门可在 55 ns 内实现，与当前超导量子比特相干时间兼容。
- SPARQS 架构支持使用直接 iFREDKIN 门实现的、可扩展的、高保真的费米子系统量子模拟。
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