As portas lógicas quânticas de alta fidelidade aplicadas a bits quânticos (qubits) são os blocos de construção básicos de circuitos quânticos programáveis. Pesquisadores do Advanced Quantum Testbed (AQT) do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) realizaram a primeira demonstração experimental de um portão nativo iToffoli de alta fidelidade de três qubits em um processador de informações quânticas supercondutor e em uma única etapa.
Processadores quânticos de escala intermediária barulhentos normalmente suportam portas nativas de um ou dois qubits, os tipos de portas que podem ser implementadas diretamente pelo hardware. Portões mais complexos são implementados dividindo-os em sequências de portões nativos. A demonstração da equipe adiciona um novo e robusto portão iToffoli de três qubits nativo para computação quântica universal. Além disso, a equipe demonstrou uma operação de alta fidelidade do portão em 98,26%. A descoberta experimental da equipe foi publicada em Nature Physics isso pode.

Portas lógicas quânticas, circuitos quânticos

O Toffoli ou o controlado-controlado-NOT (CCNOT) é uma porta lógica chave na computação clássica porque é universal, de modo que pode construir todos os circuitos lógicos para calcular qualquer operação binária desejada. Além disso, é reversível, o que permite a determinação e recuperação das entradas binárias (bits) das saídas, de modo que nenhuma informação seja perdida.

Em circuitos quânticos, o qubit de entrada pode estar em uma superposição de estados 0 e 1. O qubit está fisicamente conectado a outros qubits no circuito, o que torna mais difícil implementar um portão quântico de alta fidelidade à medida que o número de qubits aumenta. Quanto menos portas quânticas forem necessárias para computar uma operação, mais curto será o circuito quântico, melhorando assim a implementação de um algoritmo antes que os qubits descoerem causando erros no resultado final. Portanto, reduzir a complexidade e o tempo de execução dos portões quânticos é fundamental.

Em conjunto com o portão Hadamard, o portão Toffoli forma um conjunto universal de portas quânticas, que permite aos pesquisadores executar qualquer algoritmo quântico. Experimentos que implementam portas multi-qubit nas principais tecnologias de computação - circuitos supercondutores, íons presos e átomos Rydberg - demonstraram com sucesso portas Toffoli em portas de três qubits com fidelidades em média entre 87% e 90%. No entanto, tais demonstrações exigiram que os pesquisadores quebrassem os portões de Toffoli em portões de um e dois qubits, tornando o tempo de operação do portão mais longo e degradando sua fidelidade.

Criando um portão fácil de implementar

Para criar uma porta de três qubits fácil de implementar para o experimento, a AQT projetou uma porta iToffoli em vez de uma porta Toffoli convencional com uma rotação de fase de "i" no terceiro (último) qubit aplicando pulsos de microondas simultâneos fixados no mesma frequência para três qubits supercondutores em uma cadeia linear.

O experimento demonstrou, de forma semelhante ao portão Toffoli, que este portão iToffoli de três qubits pode ser usado para realizar computação quântica universal com alta fidelidade. Além disso, os pesquisadores mostraram que o esquema de portas em processadores quânticos supercondutores poderia produzir portas adicionais de três qubits, que fornecem uma síntese de portas mais eficiente - o processo de dividir portas quânticas em portas mais curtas para melhorar os tempos de execução do circuito.

Yosep Kim, um dos principais pesquisadores do experimento e ex-pós-doc no AQT, é atualmente um cientista sênior do Instituto de Ciência e Tecnologia da Coréia (Coreia do Sul).

"Como resultado da decoerência, sabemos que uma sequência de portas mais longa e complexa prejudica a fidelidade dos resultados, então o tempo total de operação da porta para executar um determinado algoritmo é significativo. A demonstração provou que podemos implementar uma porta de três qubits em um passo e reduz a profundidade do circuito (o comprimento da sequência de portas) de uma síntese de portas. ", disse Quim.

"Ainda estou muito impressionado com a simplicidade e a fidelidade deste portão iToffoli. Agora, usar uma operação de três qubits como a do trabalho pode acelerar significativamente o desenvolvimento de aplicativos quânticos e correção de erros quânticos", disse Alexis Morvan, ex-pós-doc na AQT e atualmente pesquisadora do Google.

Aproveitando um laboratório de pesquisa colaborativo de última geração

O AQT é um laboratório de pesquisa colaborativa de última geração para ciência da informação quântica, financiado pelo programa de Pesquisa em Computação Científica Avançada do Departamento de Energia dos EUA. O laboratório opera um banco de testes experimental de acesso aberto projetado para colaboração profunda com pesquisadores do Berkeley Lab e usuários externos da academia, Laboratórios Nacionais e da indústria. Essas colaborações interativas permitem uma ampla exploração da ciência de ponta na plataforma supercondutora da AQT, que conta com qubits, portas e mitigação de erros de alta qualidade, ao mesmo tempo em que prepara novas gerações de pesquisadores no campo.

“Estudei ciência da informação quântica usando um sistema de fotônica durante meu doutorado, então não tinha um bom conhecimento para conduzir o experimento em um processador supercondutor”, lembrou Kim. "Mas como o banco de testes experimental está tão bem estabelecido e há muitos colegas interdisciplinares que conhecem o funcionamento interno da configuração e colaboraram no experimento, pude entrar no experimento muito rapidamente sem muita experiência anterior. para a plataforma e equipe da AQT, não acho que minhas ideias teriam sido realizadas em um nível tão alto."

"AQT oferece aos pesquisadores e usuários uma oportunidade fantástica de colaborar com pessoas de diferentes origens e com interesses variados. Este projeto iToffoli é um exemplo de polinização cruzada de ideias. Então, além do espírito de liberdade científica na AQT, nosso trabalho também foi acelerado pela infraestrutura bem estabelecida e calibração constante, permitindo nos concentrar na física de nosso projeto específico sem divagar em tarefas periféricas. Além disso, uma pilha de controle avançada nos permitiu explorar todas as implementações possíveis para estabelecer novos protocolos quânticos ”, disse Long Nguyen, atual pós-doutorado da AQT.

Os pesquisadores esperam que as abordagens experimentais para portas multi-qubit de alta fidelidade e fáceis de implementar, como as exploradas no AQT, desencadeiem mais estudos para criar diferentes portas multi-qubit para o novo processamento de informações quânticas. + Explorar mais

Demonstrou experimentalmente uma porta de toffoli em um sistema semicondutor de três qubits