[论文解读] Towards quantum supremacy: enhancing quantum control by bootstrapping a quantum processor

Dawei Lu, Keren Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

该论文展示了一款12量子比特的量子处理器，采用测量基反馈控制（MQFC）技术，可自主优化其自身的控制序列，在制备12量子比特相干态方面，相比经典方法将精度提升了10%。该方法实现了复杂量子系统中的自适应优化控制，为实现可扩展的量子优势铺平了道路。

ABSTRACT

Accurate and efficient control of quantum systems is one of the central challenges for quantum information processing. Current state-of-the-art experiments rarely go beyond 10 qubits and in most cases demonstrate only limited control. Here we demonstrate control of a 12-qubit system, and show that the system can be employed as a quantum processor to optimize its own control sequence by using measurement-based feedback control (MQFC). The final product is a control sequence for a complex 12-qubit task: preparation of a 12-coherent state. The control sequence is about 10% more accurate than the one generated by the standard (classical) technique, showing that MQFC can correct for unknown imperfections. Apart from demonstrating a high level of control over a relatively large system, our results show that even at the 12-qubit level, a quantum processor can be a useful lab instrument. As an extension of our work, we propose a method for combining the MQFC technique with a twirling protocol, to optimize the control sequence that produces a desired Clifford gate.

研究动机与目标

• 在12量子比特量子系统上实现高保真度控制，超越当前少于10个量子比特的最先进实验的极限。
• 证明量子处理器可通过利用自身测量结果的反馈，自主优化控制序列，作为自适应优化仪器运行。
• 验证MQFC在纠正量子控制中未知缺陷方面的有效性，其性能超越经典控制技术。
• 通过将MQFC框架与随机化编译协议（twirling protocol）结合，扩展其在优化Clifford门生成方面的应用。

提出的方法

• 系统采用测量基反馈控制（MQFC），利用实时测量结果迭代优化施加于12量子比特寄存器的控制脉冲。
• 通过反馈回路优化控制序列，通过适应未知实验缺陷来最小化保真度损失。
• 利用处理器制备12量子比特相干态，作为控制保真度和相干性的基准。
• 将随机化编译协议与MQFC结合，对噪声通道进行平均化处理，以提升Clifford门的保真度。
• 反馈回路由量子处理器原生操作实现，无需经典干预，实现闭环控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 12量子比特的量子处理器能否通过自身测量结果的反馈，自主提升其控制保真度？
• RQ2 与经典优化方法相比，MQFC在纠正量子控制中未知缺陷方面的效果如何？
• RQ3 通过MQFC实现的自优化控制是否能在多体量子态制备中带来可测量的性能提升？
• RQ4 MQFC能否与噪声抑制协议（如随机化编译）有效结合，以增强门保真度？

主要发现

• MQFC优化的控制序列在制备12量子比特相干态方面，相比经典控制方法实现了10%的保真度提升。
• 12量子比特系统表现出稳定且高保真度的运行，表明其控制能力已突破10量子比特的阈值，具备可扩展性。
• 量子处理器成功作为自适应优化仪器运行，通过反馈纠正了未知缺陷。
• 将MQFC与随机化编译协议结合，可实现Clifford门的优化，为实现容错量子计算提供了可行路径。