Le porte logiche quantistiche ad alta fedeltà applicate ai bit quantistici (qubit) sono gli elementi costitutivi di base dei circuiti quantistici programmabili. I ricercatori dell'Advanced Quantum Testbed (AQT) del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno condotto la prima dimostrazione sperimentale di un gate nativo iToffoli ad alta fedeltà a tre qubit in un processore di informazioni quantistiche superconduttore e in un unico passaggio.

I rumorosi processori quantistici su scala intermedia in genere supportano gate nativi a uno o due qubit, i tipi di gate che possono essere implementati direttamente dall'hardware. Le porte più complesse vengono implementate suddividendole in sequenze di porte native. La dimostrazione del team aggiunge un nuovo e robusto gate iToffoli nativo a tre qubit per il calcolo quantistico universale. Inoltre, il team ha dimostrato un'operatività del gate molto alta al 98,26%. La svolta sperimentale del team è stata pubblicata su Nature Physics questo potrebbe.

Porte logiche quantistiche, circuiti quantistici

Il Toffoli o il controllato-controllato-NOT (CCNOT) è una porta logica chiave nell'informatica classica perché è universale, quindi può costruire tutti i circuiti logici per calcolare qualsiasi operazione binaria desiderata. Inoltre, è reversibile, il che consente la determinazione e il recupero degli ingressi binari (bit) dalle uscite, quindi nessuna informazione viene persa.

Nei circuiti quantistici, il qubit di input può trovarsi in una sovrapposizione di 0 e 1 stati. Il qubit è fisicamente connesso ad altri qubit nel circuito, il che rende più difficile l'implementazione di una porta quantistica ad alta fedeltà all'aumentare del numero di qubit. Meno porte quantistiche sono necessarie per calcolare un'operazione, più corto è il circuito quantistico, migliorando così l'implementazione di un algoritmo prima che i qubit si decoherino causando errori nel risultato finale. Pertanto, ridurre la complessità e il tempo di esecuzione delle porte quantistiche è fondamentale.

In tandem con la porta di Hadamard, la porta di Toffoli forma un insieme di porte quantistiche universali, che consente ai ricercatori di eseguire qualsiasi algoritmo quantistico. Esperimenti che implementano porte multi-qubit nelle principali tecnologie informatiche - circuiti superconduttori, ioni intrappolati e atomi di Rydberg - hanno dimostrato con successo porte Toffoli su porte a tre qubit con fedeltà media tra l'87% e il 90%. Tuttavia, tali dimostrazioni hanno richiesto ai ricercatori di suddividere i cancelli di Toffoli in cancelli da uno e due qubit, allungando il tempo di funzionamento del cancello e degradandone la fedeltà.

Creazione di un cancello facile da implementare

Per creare un gate a tre qubit facile da implementare per l'esperimento, AQT ha progettato un gate iToffoli invece di un gate Toffoli convenzionale con una rotazione di fase di "i" sul terzo (ultimo) qubit applicando impulsi a microonde simultanei fissati al stessa frequenza a tre qubit superconduttori in una catena lineare.

L'esperimento ha dimostrato, in modo simile alla porta Toffoli, che questa porta iToffoli a tre qubit può essere utilizzata per eseguire calcoli quantistici universali con alta fedeltà. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che lo schema dei gate sui processori quantistici superconduttori potrebbe produrre ulteriori gate a tre qubit, che forniscono una sintesi del gate più efficiente, il processo di scomposizione dei gate quantistici in quelli più brevi per migliorare i tempi di funzionamento del circuito.

Yosep Kim, uno dei principali ricercatori nell'esperimento ed ex post-dottorato presso AQT, è attualmente uno scienziato senior presso il Korea Institute of Science and Technology (Corea del Sud).

"Come risultato della decoerenza, sappiamo che una sequenza di gate più lunga e complessa danneggia la fedeltà dei risultati, quindi il tempo totale di operazione del gate per eseguire un determinato algoritmo è significativo. La dimostrazione ha dimostrato che possiamo implementare un gate a tre qubit in un passo e ridurre la profondità del circuito (la lunghezza della sequenza di porte) di una sintesi di porta Inoltre, a differenza degli approcci precedenti, il nostro schema di porta non include gli stati eccitati più elevati del qubit inclini alla decoerenza, risultando quindi in una porta ad alta fedeltà ", ha detto Kim.

"Sono ancora molto impressionato dalla semplicità e dalla fedeltà di questo gate iToffoli. Ora, l'utilizzo di un'operazione a tre qubit come quella nel lavoro può accelerare significativamente lo sviluppo dell'applicazione quantistica e la correzione degli errori quantistici", ha affermato Alexis Morvan, un ex postdoc presso AQT e attualmente ricercatore presso Google.

Sfruttando un laboratorio di ricerca collaborativa all'avanguardia

AQT è un laboratorio di ricerca collaborativa all'avanguardia per la scienza dell'informazione quantistica finanziato dal programma di ricerca scientifica avanzata dell'Ufficio per l'energia del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. Il laboratorio gestisce un banco di prova sperimentale ad accesso aperto progettato per una profonda collaborazione con i ricercatori del Berkeley Lab e gli utenti esterni del mondo accademico, dei laboratori nazionali e dell'industria. Queste collaborazioni interattive consentono un'ampia esplorazione della scienza all'avanguardia nella piattaforma superconduttrice di AQT che si basa su qubit, gate e mitigazione degli errori di alta qualità, preparando contemporaneamente nuove generazioni di ricercatori nel campo.

"Ho studiato scienza dell'informazione quantistica usando un sistema fotonico durante il mio dottorato, quindi non avevo una buona conoscenza per condurre l'esperimento in un processore superconduttore", ha ricordato Kim. "Ma poiché il banco di prova sperimentale è così ben consolidato e ci sono molti colleghi interdisciplinari che conoscono il funzionamento interno della configurazione e hanno collaborato all'esperimento, sono stato in grado di entrare nell'esperimento molto rapidamente senza molta esperienza precedente. Se non lo fosse per la piattaforma e il team di AQT, non credo che le mie idee sarebbero state realizzate a un livello così alto".

"AQT offre a ricercatori e utenti una fantastica opportunità di collaborare con persone provenienti da background diversi e con interessi diversi. Questo progetto iToffoli è uno di questi esempi di impollinazione incrociata di idee. Quindi, oltre allo spirito di libertà scientifica in AQT, il nostro lavoro è stato anche accelerato dall'infrastruttura consolidata e dalla calibrazione costante, che ci ha permesso di concentrarci sulla fisica del nostro progetto specifico senza divagare sui compiti periferici.Inoltre, uno stack di controllo avanzato ci ha permesso di esplorare tutte le possibili implementazioni per stabilire nuovi protocolli quantistici ", ha affermato Long Nguyen, attuale postdoc presso AQT.

I ricercatori sperano che gli approcci sperimentali per porte multi-qubit ad alta fedeltà e facili da implementare, come quelle esplorate all'AQT, avvieranno ulteriori studi per ideare diverse porte multi-qubit per una nuova elaborazione delle informazioni quantistiche. + Esplora ulteriormente

Dimostrazione sperimentale di un cancello di toffoli in un sistema semiconduttore a tre qubit