[论文解读] Universal digital photonic single-qubit quantum channel simulator

Lu He, Chang Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2015

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

本论文展示了首个用于任意单量子比特量子通道的实验性数字量子模拟器，采用通用单量子比特门集和单个两量子比特纠缠门。该模拟器实现了任意单量子比特通道的高效且精确的编译与编程，将基于哈密顿量的模拟推广至基于通道的数字量子模拟，具有广泛的应用前景，涵盖量子计算与量子模拟领域。

ABSTRACT

Quantum simulators, which exploit quantum effects to reveal unknown or difficult-to-compute properties of a model of interest, play a significant role in quantum information science. Quantum simulation of the dynamics of many-body system has been widely studied for various quantum computing systems, including cold atoms, trapped ions and photons. However, simulation of quantum channels, which describes one of the most general quantum processes in realistic systems, has not yet been fully explored, even for single-qubit channels. Here we report the first experimental digital quantum simulator of arbitrary single-qubit channels. We built this simulator with a set of single-qubit gates together with a single two-qubit entangling gate. We show that any single-qubit channel can be efficiently and accurately programmed and compiled by our simulator. Our scheme generalizes Hamiltonian-based simulators to channel-based digital quantum simulators, which could have important applications in quantum computation and quantum simulation.

研究动机与目标

• 开发一种通用的数字量子模拟器，能够模拟任意单量子比特量子通道。
• 克服现有基于哈密顿量的量子模拟器的局限性，后者未能充分涵盖如量子通道等一般量子过程。
• 实现在物理量子系统中对任意单量子比特通道进行高效且精确的编程与编译。
• 将数字量子模拟的范围从幺正演化扩展至非幺正、开放量子系统过程，如退相干与耗散。

提出的方法

• 模拟器采用通用单量子比特量子门集，构建所需的量子通道动力学。
• 使用单个两量子比特纠缠门，实现模拟一般量子通道所必需的非幺正操作。
• 通过数字模拟框架将通道编译为一系列量子操作，实现可编程实现。
• 该方法将数字量子模拟从幺正演化推广至任意完全正且保迹的映射。
• 该架构设计为可扩展，并可适配多种量子平台，包括光子系统。
• 模拟器利用Stinespring扩张定理，将任意量子通道表示为扩展希尔伯特空间上的幺正演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一个数字量子模拟器，以高保真度模拟任意单量子比特量子通道？
• RQ2 如何将通用量子门集与单个两量子比特纠缠门结合，以模拟一般量子通道？
• RQ3 使用该数字模拟框架编译任意单量子比特通道的效率与准确性如何？
• RQ4 该方法如何将数字量子模拟的范围从幺正演化扩展至非幺正、开放系统动力学？
• RQ5 该模拟器在真实噪声环境下的量子计算与量子模拟中具有哪些实际意义？

主要发现

• 所提出的模拟器使用最小门集，以高精度成功模拟了任意单量子比特量子通道。
• 引入单个两量子比特纠缠门，使非幺正动力学的模拟成为可能，这对于建模开放量子系统至关重要。
• 数字编译方法实现了任意通道的高效编程，原则上展示了可扩展性。
• 该方案将基于哈密顿量的模拟推广至基于通道的数字量子模拟，显著拓宽了量子模拟的适用范围。
• 实验实现证实了在光子量子系统中模拟一般量子过程的可行性。
• 该方法提供了一个通用框架，用于模拟任意单量子比特量子通道，为量子误差缓解与噪声表征等新应用铺平道路。