[论文解读] Quantum computing hardware for HEP algorithms and sensing

M. Sohaib Alam, S. Belomestnykh+38 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 24

一句话总结

评估两种有前景的超导量子体系结构用于高能物理（HEP）算法——基于3D腔的qudits（qutrits/qudits）和基于2D腔的qudits——并讨论编码、扩展、互连、误差保护以及潜在的HEP应用与感测。

ABSTRACT

Quantum information science harnesses the principles of quantum mechanics to realize computational algorithms with complexities vastly intractable by current computer platforms. Typical applications range from quantum chemistry to optimization problems and also include simulations for high energy physics. The recent maturing of quantum hardware has triggered preliminary explorations by several institutions (including Fermilab) of quantum hardware capable of demonstrating quantum advantage in multiple domains, from quantum computing to communications, to sensing. The Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center, led by Fermilab, is dedicated to providing breakthroughs in quantum computing and sensing, mediating quantum engineering and HEP based material science. The main goal of the Center is to deploy quantum systems with superior performance tailored to the algorithms used in high energy physics. In this Snowmass paper, we discuss the two most promising superconducting quantum architectures for HEP algorithms, i.e. three-level systems (qutrits) supported by transmon devices coupled to planar devices and multi-level systems (qudits with arbitrary N energy levels) supported by superconducting 3D cavities. For each architecture, we demonstrate exemplary HEP algorithms and identify the current challenges, ongoing work and future opportunities. Furthermore, we discuss the prospects and complexities of interconnecting the different architectures and individual computational nodes. Finally, we review several different strategies of error protection and correction and discuss their potential to improve the performance of the two architectures. This whitepaper seeks to reach out to the HEP community and drive progress in both HEP research and QIS hardware.

研究动机与目标

• 在 SQMS 计划内，推动面向 HEP 算法与传感的量子硬件开发。
• 评估两种领先的超导架构（3D SRF 腔体和 2D 平面/ qutrit 实现）在 HEP 应用中的潜力。
• 识别可扩展的 HEP 相关量子计算所需的编码方案、材料挑战和误差保护策略。
• 讨论互连、传输、室温接口，以及通往面向社区的 HEPCloud 平台的路径。

提出的方法

• 描述并评估使用与非线性辅助量子耦合的 SRF 腔体的 3D QPU 架构以进行 qudit 编码（Fock-基、SNAP、ECD 门）。
• 解释选择性数依赖任意相位（SNAP）门及位移控制在腔中实现通用 qudit 操作。
• 提出用于扩展和模态互连的多模态、多单元 SRF 腔体概念。
• 概述具有 qutrits 与玻色模的 2D QPU 实现，包括多体仿真和材料损耗考虑。
• 讨论腔间耦合、可调耦合器以及用于网络化量子系统的量子传导方法。
• 回顾误差保护与纠正方法（cat codes、binomial codes、驱动-耗散稳定化）及其在 qudit 编码中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 用于实现 HEP 算法和传感的可行超导硬件架构有哪些（3D SRF 腔 qudits 与 2D QPU）？
• RQ2 编码方案（Fock-基、cat codes、binomial codes）和门集（SNAP、ECD）如何在与 HEP 相关的高维希尔伯特空间中实现通用控制？
• RQ3 每种架构的主要材料、相干性和扩展挑战是什么，互连性与传导如何实现？
• RQ4 适用于基于 qudit 的架构的误差保护策略有哪些，它们如何影响算法性能和资源需求？
• RQ5 如何建立专门的 HEPCloud 平台，为 HEP 社区提供对 SQMS 硬件的标准化访问？

主要发现

• 3D SRF 腔 qudit 架构通过 Fock-态编码和非线性辅人耦合，提供极长的相干时间和较大的希尔伯特空间。
• SNAP 和位移门方案使腔态实现通用控制成为可能，最优控制技术显著缩短门时间。
• 多模态和多单元腔体为扩展希尔伯特空间提供途径，尽管模间控制和可调耦合器带来工程挑战。
• 具有 qutrits 和玻色模的 2D QPU 实现使 HEP 相关的仿真与多体物理研究成为可能，材料损耗考虑推动设计选择。
• 如 cat-bases、binomial codes、驱动-耗散稳定化等误差保护方法在光子损耗保护方面显示出希望，尽管主动的 qudit 误差纠正仍是待解决领域。
• 提出一个 HEPCloud 框架，以标准化的方式为更广泛的 HEP 社区提供对 SQMS 硬件和资源的访问。