Bestimmung der Fähigkeit zum universellen Quantencomputing: Testen der Steuerbarkeit über dimensionale Ausdruckskraft

Bestimmung der Fähigkeit zum universellen Quantencomputing: Testen der Steuerbarkeit über dimensionale Ausdruckskraft

Zeitstempel: 21. Dezember 2023, 7:24 Uhr

Fernando Gago-Encinas1, Tobias Hartung2,3, Daniel M. Reich1, Karl Jansen4, und Christiane P. Koch1

1Fachbereich Physik und Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universität Berlin, Arnimallee 14, 14195 Berlin, Deutschland
2Northeastern University London, Devon House, St. Katharine Docks, London, E1W 1LP, Vereinigtes Königreich
3Khoury College of Computer Sciences, Northeastern University, 440 Huntington Avenue, 202 West Village H Boston, MA 02115, USA
4NIC, DESY Zeuthen, Platanenallee 6, 15738 Zeuthen, Deutschland

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Abstrakt

Operatorkontrollierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit, eine beliebige Unitäre in SU(N) zu implementieren und ist eine Voraussetzung für universelles Quantencomputing. Kontrollierbarkeitstests können beim Design von Quantengeräten verwendet werden, um die Anzahl externer Kontrollen zu reduzieren. Ihr praktischer Einsatz wird jedoch durch die exponentielle Skalierung ihres numerischen Aufwands mit der Anzahl der Qubits erschwert. Hier entwickeln wir einen hybriden quantenklassischen Algorithmus basierend auf einer parametrisierten Quantenschaltung. Wir zeigen, dass die Steuerbarkeit mit der Anzahl unabhängiger Parameter zusammenhängt, die durch dimensionale Expressivitätsanalyse ermittelt werden können. Wir veranschaulichen die Anwendung des Algorithmus auf Qubit-Arrays mit Nächste-Nachbarn-Kopplungen und lokalen Kontrollen. Unsere Arbeit bietet einen systematischen Ansatz für das ressourceneffiziente Design von Quantenchips.

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Ausgewähltes Bild: Einzelne Schicht des parametrischen Quantenschaltkreises, der entwickelt wurde, um die Steuerbarkeit eines Qubit-Arrays durch den Bediener mit lokalen Steuerungen zu testen.

Populäre Zusammenfassung

Die Steuerbarkeit sagt uns, ob wir jede erdenkliche einheitliche Operation auf einem Quantensystem mit Kontrollfeldern implementieren können, die wir als Funktion der Zeit ändern können. Diese Eigenschaft ist für Qubit-Arrays wichtig, da universelles Quantencomputing ein Gerät erfordert, das jede beliebige Quantenlogikoperation realisieren kann. Da jedes Kontrollfeld physischen Raum einnimmt, eine Kalibrierung erfordert und möglicherweise eine Rauschquelle darstellt, wird es mit zunehmender Größe von Quantengeräten unerlässlich, Gerätedesigns mit möglichst wenigen Kontrollen und Qubit-Kopplungen zu finden. Kontrollierbarkeitstests können uns helfen, dieses Ziel zu erreichen.

Hier präsentieren wir einen hybriden quantenklassischen Test, der Messungen an einem Quantengerät und klassische Berechnungen kombiniert. Unser Algorithmus basiert auf dem Konzept parametrischer Quantenschaltkreise, dem Quantengegenstück zu Booleschen Schaltkreisen, bei denen einige der Logikgatter von unterschiedlichen Parametern abhängen. Wir nutzen die dimensionale Expressivitätsanalyse, um alle Parameter in der Schaltung zu identifizieren, die redundant sind und entfernt werden können. Wir zeigen, dass für jedes Qubit-Array ein parametrischer Quantenschaltkreis so definiert werden kann, dass die Anzahl der unabhängigen Parameter die Steuerbarkeit des ursprünglichen Quantensystems widerspiegelt.

Wir hoffen, dass dieser Test ein nützliches Werkzeug für die Untersuchung dieser Schaltkreise und für den Entwurf steuerbarer Quantengeräte sein wird, die auf größere Dimensionen skaliert werden können.

► BibTeX-Daten

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Konnte nicht abrufen Crossref zitiert von Daten während des letzten Versuchs 2023-12-21 12:25:23: Von Crossref konnten keine zitierten Daten für 10.22331 / q-2023-12-21-1214 abgerufen werden. Dies ist normal, wenn der DOI kürzlich registriert wurde. Auf SAO / NASA ADS Es wurden keine Daten zum Zitieren von Werken gefunden (letzter Versuch 2023-12-21 12:25:23).

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