[论文解读] Realization of two-qutrit quantum algorithms on a programmable superconducting processor

Tanay Roy, Ziqian Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种使用 transmon 任意子和参数耦合器实现全可编程的两量子三态超导量子处理器，可实现通用两量子三态门。该工作通过无辅助量子三态协议，实现了两阶段振幅放大，成功实现了 Deutsch-Jozsa、Bernstein-Vazirani 和 Grover 搜索算法，其保真度极高，标志着首次实验实现基于量子三态的 Grover 搜索算法，并实现了超越经典成功概率的性能。

ABSTRACT

Processing quantum information using quantum three-level systems or qutrits as the fundamental unit is an alternative to contemporary qubit-based architectures with the potential to provide significant computational advantages. We demonstrate a fully programmable two-qutrit quantum processor by utilizing the third energy eigenstates of two transmons. We develop a parametric coupler to achieve excellent connectivity in the nine-dimensional Hilbert space enabling efficient implementations of two-qutrit gates. We characterize our processor by realizing several algorithms like Deutsch-Jozsa, Bernstein-Vazirani, and Grover's search. Our efficient ancilla-free protocols allow us to show that two stages of Grover's amplification can improve the success rates of an unstructured search with quantum advantage. Our results pave the way for building fully programmable ternary quantum processors using transmons as building blocks for a universal quantum computer.

研究动机与目标

• 开发一种使用 transmon 任意子作为可扩展平台的全可编程两量子三态超导量子处理器，以实现通用量子计算。
• 通过实现参数耦合器，克服超导任意子架构中连通性和门保真度的限制，实现对九维希尔伯特空间的完整访问。
• 在单个处理器上无辅助量子三态地实现通用量子算法——Deutsch-Jozsa、Bernstein-Vazirani 和 Grover 搜索。
• 通过实现两阶段 Grover 振幅放大，实现非结构化搜索中的量子优势，成功率达到经典极限以上。

提出的方法

• 利用约瑟夫森能量与充电能量比值较大（>90）的 transmon 任意子，以保持 |2⟩ 态的长退相干时间。
• 通过基于 SQUID 的可调电感实现线性参数耦合器，以实现多模分束和类似两光子压缩的运算，从而在九维希尔伯特空间中实现完全连通性。
• 对谐振器施加微波脉冲以实现单量子三态操作，并通过调节 SQUID 的参数调制生成受控相位和纠缠门。
• 通过谐振器的非简并测量和透射测量实现投影式读出，校准以最小化交叉-Kerr 和 ZZ 相互作用。
• 采用具有高带宽 AWG 和低温滤波（Eccosorb、SIPF、环形器）的主触发系统，以抑制噪声和串扰。
• 使用实验测得的参数进行主方程模拟，以建模和验证退相干、动态 ZZ 和泄漏等误差源。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用 transmon 任意子和参数耦合实现全可编程的两量子三态超导量子处理器？
• RQ2 能否在单个处理器上无辅助量子三态地实现通用两量子三态量子算法？
• RQ3 能否在超导量子三态平台上通过两阶段 Grover 振幅放大实现超越经典极限的成功率？
• RQ4 限制两量子三态任意子处理器性能的主要误差源是什么？能否被准确建模？
• RQ5 参数耦合能否实现九维希尔伯特空间中的完全连通性，以实现高效的门操作？

主要发现

• Grover 搜索的一阶段和两阶段实现分别达到 93.27% 和 94.46% 的成功概率，显著超过经典极限。
• 两阶段振幅放大将成功率提升至经典方法无法企及的水平，证明了在非结构化搜索中实现量子优势。
• Grover 搜索的实验结果与主方程模拟结果高度一致，一阶段和两阶段的统计重叠度分别为 93.27% 和 94.46%。
• 退相干噪声被确定为主要误差源，总门时间（2.11 μs）已接近量子三态的 Ramsey 时间。
• 动态和静态 ZZ 相互作用对门保真度有显著影响，可测量的 $ZZ$ 项同时影响单量子三态和两量子三态门性能。
• 由于能级间隙较大且门速率相对较低，非计算态的泄漏可忽略不计。