[论文解读] Superconducting qutrit-qubit circuit: A toolbox for efficient quantum gates

Thomas Bækkegaard, Lasse Bjørn Kristensen+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种超导三重态-量子比特电路，通过将一个三能级系统（三重态）与两个量子比特耦合，实现了高效、稳健且通用的量子门操作，能够实现纠缠、Toffoli门和Fredkin门，以及条件几何（全息）门，为大规模量子计算提供了可扩展的工具箱，同时降低了退相干风险。

ABSTRACT

As classical computers struggle to keep up with Moore's law, quantum computing may represent a big step in technology and yield significant improvement over classical computing for many important tasks. Building a quantum computer, however, is a daunting challenge since it requires good control but also good isolation from the environment to minimize decoherence. It is therefore important to realize quantum gates efficiently, using as few operations as possible, to reduce the amount of required control and operation time and thus improve the quantum state coherence. Here we propose a superconducting circuit for implementing a tunable spin chain consisting of a qutrit (three-level system analogous to spin-1) coupled to two qubits (spin-1/2). Our system can efficiently accomplish various quantum information tasks, including generation of entanglement of the two qubits and conditional three-qubit quantum gates, such as the Toffoli and Fredkin gates, which are universal for reversible classical computations. Furthermore, our system realizes a conditional geometric gate which may be used for holonomic (non-adiabatic) quantum computing. The efficiency, robustness and universality of our circuit makes it a promising candidate to serve as a building block for larger spin networks capable of performing involved quantum computational tasks.

研究动机与目标

• 通过最小化门操作时间和控制复杂度，解决量子计算中的退相干挑战。
• 通过将三重态与两个量子比特耦合，构建可调谐自旋链架构，以提升门操作效率。
• 实现通用量子门，包括Toffoli门和Fredkin门，以支持可逆经典计算。
• 实现条件几何门，以支持非绝热全息量子计算。
• 构建可扩展的模块化单元，用于构建更大规模的自旋网络，以执行复杂量子任务。

提出的方法

• 设计一种包含可调谐三重态（三能级系统）与两个量子比特（自旋-1/2）耦合的超导电路，形成可调谐自旋链。
• 利用动态耦合控制，设计三重态与量子比特之间的相互作用，以实现门操作。
• 通过三重态的中间能级介导的受控相互作用，实现条件量子门。
• 利用几何（Berry）相位积累实现全息门操作，以增强对某些误差的鲁棒性。
• 通过调节系统的能级结构与耦合强度，实现包括Toffoli门和Fredkin门在内的通用门集。
• 通过最小化操作时间并减少环境耦合，实现高门保真度与相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导三重态-量子比特系统能否以更短的操作时间和更低的控制复杂度，高效实现通用量子门？
• RQ2 如何在超导电路中实现条件几何门，以支持非绝热全息量子计算？
• RQ3 该三重态-量子比特架构在多大程度上能够生成纠缠，并实现Toffoli门和Fredkin门？
• RQ4 三重态的中间能级在介导多量子比特相互作用和实现门通用性方面发挥什么作用？
• RQ5 该架构能否作为更大规模量子自旋网络的可扩展构建模块？

主要发现

• 所提出的三重态-量子比特电路可实现高效的两量子比特纠缠，且门操作时间更短、控制开销更低。
• 该系统实现了通用量子门，包括对可逆经典计算至关重要的Toffoli门和Fredkin门。
• 成功实现了条件几何门，支持非绝热全息量子计算，并具备潜在的抗错误能力。
• 由于操作时间缩短，该架构表现出优异的鲁棒性，显著提升了量子态的相干性。
• 该电路结构提供了一个可扩展的平台，可用于构建更大规模的自旋网络，以执行复杂的量子计算任务。
• 三重态与量子比特之间的可调耦合允许动态控制相互作用，从而实现多样化的门操作。