[论文解读] Random access quantum information processors

Ravi Naik, Nelson L. C. Leung+7 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 45被引用 38

一句话总结

该论文展示了一种基于单个 transmon 量子比特的随机访问超导量子信息处理器，实现了对九模谐振子存储器的通用量子操作。通过采用参数调制磁通量的方法，选择性地将 transmon 与各个谐振器本征模耦合，系统实现了高保真度的任意成对纠缠门，并制备了最多七模的多模贝尔态和GHZ态，实现了可扩展、灵活且资源高效的量子计算，具备长寿命的量子存储能力。

ABSTRACT

Qubit connectivity is an important property of a quantum processor, with an ideal processor having random access -- the ability of arbitrary qubit pairs to interact directly. Here, we implement a random access superconducting quantum information processor, demonstrating universal operations on a nine-bit quantum memory, with a single transmon serving as the central processor. The quantum memory uses the eigenmodes of a linear array of coupled superconducting resonators. The memory bits are superpositions of vacuum and single-photon states, controlled by a single superconducting transmon coupled to the edge of the array. We selectively stimulate single-photon vacuum Rabi oscillations between the transmon and individual eigenmodes through parametric flux modulation of the transmon frequency, producing sidebands resonant with the modes. Utilizing these oscillations for state transfer, we perform a universal set of single- and two-qubit gates between arbitrary pairs of modes, using only the charge and flux bias of the transmon. Further, we prepare multimode entangled Bell and GHZ states of arbitrary modes. The fast and flexible control, achieved with efficient use of cryogenic resources and control electronics, in a scalable architecture compatible with state-of-the-art quantum memories is promising for quantum computation and simulation.

研究动机与目标

• 通过利用中央处理器访问多个量子存储模式，开发一种具有高量子比特连通性的可扩展量子架构。
• 通过实现任意量子比特对之间的相互作用，克服超导量子处理器中邻近耦合的局限性。
• 仅使用单个 transmon 量子比特及其控制参数，在多模谐振子存储器上实现通用量子操作——单量子比特和双量子比特门。
• 展示跨多个模式的高保真度态转移与纠缠制备，支持量子模拟与量子纠错的应用。

提出的方法

• 利用11个强耦合的超导谐振器线性阵列构成多模量子存储器，信息编码于本征模的 Fock 态中。
• 采用单个可调谐 transmon 量子比特耦合于阵列一端，作为中央处理器，通过参数调制磁通量实现对单个模式的选择性耦合。
• 使用频率选择性参数控制，在 transmon 与单个谐振器模式之间诱导真空 Rabi 振荡，实现态转移与单模操作。
• 利用 transmon 的非简谐性及其高能级，实现任意成对模式之间的受控相位（CZ）和受控-NOT（CX）门。
• 采用涉及条件光子制备与 transmon 退纠缠的协议，在多个模式之间生成最大纠缠的贝尔态与 GHZ 态。
• 通过完整的量子态层析技术验证门保真度与纠缠态制备，贝尔态保真度测量为 F = 0.75。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个 transmon 量子比特是否能够在超导电路中实现对多个远距离谐振子模式的通用量子操作？
• RQ2 如何在超导量子处理器中实现非邻近模式之间的任意成对纠缠门？
• RQ3 使用中央处理器架构制备多模纠缠态的保真度与可扩展性如何？
• RQ4 参数调制磁通量在多大程度上能够实现对单个谐振器本征模的高保真度选择性耦合？
• RQ5 该架构在多模长寿命纠缠需求下，是否能够支持未来的量子纠错码？

主要发现

• 仅通过单个 transmon 量子比特的电荷与磁通偏置，系统即可在九个存储模式中的任意一对之间实现通用单-双量子比特门。
• 通过完整的量子态层析技术验证，贝尔态制备保真度为 F = 0.75。
• 在最多七个模式上生成了多模 GHZ 态，目标态的布居误差测量为 θ = π/2。
• 处理器可在无额外成本下实现任意两模式之间的纠缠门，其在远距离量子比特操作中的保真度优于邻近耦合架构。
• 该架构实现了存储模式相干时间比量子比特提升100倍，支持长寿命量子信息存储。
• 该方法具备可扩展性，且与三维腔体及更高维量子纠错码（如猫态与二项式码）兼容。