[论文解读] Phase gate of one qubit simultaneously controlling n qubits in a cavity or coupled to a resonator

Chui‐Ping Yang, Yu-xi Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

本文提出了一种三步受控-相位门，可在腔或谐振器系统中使一个量子比特同时控制 n 个量子比特，且操作时间与 n 无关。该门利用超导量子比特或原子实现，无论腔的初始状态如何均能正常工作，支持同时进行多量子比特 CNOT 类操作，为可扩展、快速且鲁棒的量子门架构提供了可能。

ABSTRACT

We propose how to realize a three-step controlled-phase gate of one qubit simultaneously controlling $n$ qubits in a cavity or coupled to a resonator. The $n$ two-qubit controlled-phase gates, forming this multiqubit phase gate, can be performed simultaneously. The operation time of this phase gate is independent of the number $n$ of qubits. This phase gate controlling at once $n$ qubits is insensitive to the initial state of the cavity mode and can be used to produce an analogous CNOT gate simultaneously acting on $n$ qubits. We present two alternative approaches to implement this gate. One approach is based on tuning the qubit frequency while the other method tunes the resonator frequency. Using superconducting qubits coupled to a resonator as an example, we show how to implement the proposed gate with one superconducting qubit simultaneously controlling $n$ qubits selected from $N$ qubits coupled to a resonator ($1<n<N$). We also give a discussion on realizing the proposed gate with atoms, by using one cavity initially in an arbitrary state.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的量子门，使一个控制量子比特能够同时与 n 个目标量子比特在腔或谐振器系统中相干纠缠。
• 通过使操作时间与目标量子比特数 n 无关，解决多量子比特门扩展的挑战。
• 设计对腔模初始状态不敏感的门，增强在噪声环境中的鲁棒性。
• 实现一种作用于 n 个量子比特的并行 CNOT 类门，促进高效量子线路设计。

提出的方法

• 该门通过三步过程实现，涉及控制量子比特与 n 个目标量子比特通过公共腔或谐振器模态的受控相互作用。
• 提出了两种替代实现策略：通过调节量子比特频率或调节谐振器频率来介导受控-相位相互作用。
• 该方法依赖于控制量子比特与腔的共振耦合，目标量子比特也耦合到同一腔，通过公共光子模态实现同时纠缠。
• 门操作被设计为对腔的初始 Fock 态不敏感，确保对初始态制备误差具有鲁棒性。
• 展示了超导量子比特与谐振器耦合作为物理实现平台，明确提出了从 N 个耦合量子比特中选择 n 个量子比特的协议。
• 还讨论了使用原子在腔中的替代实现方式，其中一个原子作为控制者，腔模态初始处于任意态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在一个基于腔的系统中，使单个控制量子比特以与 n 无关的操作时间，同时与 n 个目标量子比特纠缠？
• RQ2 如何使该门对腔模态的初始状态具有鲁棒性，特别是在腔未制备在已知 Fock 态时？
• RQ3 使用超导量子比特或捕获原子，此类门的可行物理实现方式有哪些？
• RQ4 所提出的门能否用于并行生成多量子比特 CNOT 操作，其成功实现的条件是什么？
• RQ5 通过调节量子比特或谐振器的频率，如何实现所需的受控-相位操作，而无需按顺序应用门？

主要发现

• 所提出的相位门实现了对 n 个量子比特的同时控制，且操作时间与 n 无关，支持可扩展的多量子比特纠缠。
• 该门对腔模态的初始状态具有鲁棒性，无论腔处于真空态、热态或 Fock 态，保真度均保持不变。
• 该门可通过调节量子比特频率或调节谐振器频率实现，为实验设计提供了灵活性。
• 可利用所提出的受控-相位门构建作用于 n 个量子比特的并行 CNOT 类门，支持高效的量子线路编译。
• 该门可在超导量子比特与谐振器耦合的系统中实现，其中一个控制量子比特可同时与从 N 个量子比特中选出的 n 个量子比特纠缠。
• 该协议可扩展至原子系统，其中一个原子通过初始处于任意态的腔模态控制 n 个其他原子，展示了其广泛的物理适用性。