JP7382069B2 - 超伝導回路を用いたハードウェア効率的フォールトトレラント操作 - Google Patents
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Description
本願は、2018年1月5日に出願された発明の名称「HARDWARE-EFFICIENT FAULT-TOLERANT OPERATIONS WITH SUPERCONDUCTING CIRCUITS」の米国仮特許出願第62/613,974号および2018年9月19日に出願された発明の名称「HARDWARE-EFFICIENT FAULT-TOLERANT OPERATIONS WITH SUPERCONDUCTING CIRCUITS」の米国仮特許出願第62/733,316号の35 U.S.C. §119(e)下の利益を主張し、それらの両方はそれらの全体において参照により本明細書に援用される。
本発明は、米国陸軍研究局により授与されたW911NF-14-1-0011の下、政府支援によりなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
量子情報処理は、エネルギー量子化、重ね合わせおよびもつれなどの量子力学的現象を使用して、従来の情報処理では使用されない方法で情報をエンコードして処理する。例えば、特定のコンピューター計算問題は、従来の古典的コンピューター計算ではなく量子コンピューター計算を使用してより効率的に解決され得ることが知られる。しかしながら、現実的なコンピューター選択肢になるために、量子コンピューター計算は、「キュービット」として知られる多くの量子ビットの多くおよびこれらのキュービットの間の相互作用を正確に制御する能力を必要とする。特に、キュービットは、個々に操作され得、多キュービットゲートを実行するために1つ以上の他のキュービットと相互作用し得、効率的に初期化および測定され得、多くのキュービットへと大規模化可能となるために長いコヒーレンス時間を有するべきである。
いくつかの局面によると、空洞およびアンシラトランスモンを使用してフォールトトレラント量子操作を実行するための方法が提供され、該方法は、2より多いエネルギー準位の空洞を使用して論理キュービットをエンコードする工程;2より多いエネルギー準位のアンシラトランスモンを使用して情報をエンコードする工程;および空洞から、アンシラトランスモン中の少なくとも1つの誤りの型を切り離す空洞とアンシラトランスモンの間の相互作用を作成する工程を含む。
以下の図面を参照して、開示される技術の種々の局面および態様を説明する。図は必ずしも一定の比例で描かれていないことが理解されるべきである。
本発明者らは、超伝導回路を用いたエラー強く、フォールトトレラントな量子コンピューター計算操作を達成するための単純化された技術を開発した。誤りが先へ伝播することを防ぐための、別々に処理可能なエネルギー準位のラダー(ladder)を有する非調和振動子である超伝導キュービットの多量子状態は、フォールトトレラント操作を達成し、かつ量子誤り訂正のためのシンドローム測定の性能を向上して、論理状態の読出しおよびさらにユニバーサル量子ゲートの操作が使用され得る。さらなる誤り機構を導入することなく、誤りの伝播を防ぐ特殊な対称性が構築され得るので、複雑さおよびハードウェアを減ずることが生じる。これは、エンコードおよびアンシラの両方について2のみのエネルギー準位(多準位キュービットではないキュービット)が使用され、多くのさらなる構成要素が必要となり、実現、試験および作動することがより困難である従来のスキームとは対照的である。記載される態様は、ハードウェア効率的な誤り訂正可能な論理キュービットの実現をエラー強さのある量子操作のための完全なスキームに拡張し、簡易化の長所を保つことにより量子コンピューターについて重要な部品を低減した。
として表されるCPS操作を実行するために使用され得る。いくつかの態様において、光子数パリティ操作は
本発明の態様として以下のものが挙げられる。
項1
2より多いエネルギー準位の空洞を使用して論理キュービットをエンコードする工程;
2より多いエネルギー準位のアンシラトランスモンを使用して情報をエンコードする工程;および
空洞からアンシラトランスモン中の少なくとも1つの誤りの型を切り離す、空洞とアンシラトランスモンの間の相互作用を作成する工程
を含む、
空洞およびアンシラトランスモンを使用してフォールトトレラント(fault-tolerant)量子操作を実行するための方法。
項2
空洞とアンシラの間の相互作用を作成する工程が、側波帯駆動を適用する工程を含む、項1記載の方法。
項3
側波帯駆動を適用した場合に、空洞の論理キュービットの進展が、一次アンシラ誤りに対して透明である、項2または任意の他の前記項記載の方法。
項4
側波帯駆動が、
第1の励起状態のアンシラトランスモンによる空洞上の第1の周波数シフトを、第2の励起状態のアンシラトランスモンによる空洞上の第2の周波数シフトと等しくなるように調整する;および
基底状態(a ground state excited state is)のアンシラトランスモンによる空洞上の第3の周波数シフトを、第2の励起状態のアンシラトランスモンによる空洞上の第2の周波数シフトと等しくなるように調整する
ように構成される、項2または任意の他の前記項記載の方法。
項5
量子操作が量子論理ゲートを含む、項1または任意の他の前記項記載の方法。
項6
量子論理ゲートが、選択的数依存的任意位相(selective number-dependent arbitrary phase)(SNAP)ゲートを含む、項5または任意の他の前記項記載の方法。
項7
量子論理ゲートが制御-SWAPゲートを含む、項5または任意の他の前記項記載の方法。
項8
量子論理ゲートが指数関数的-SWAPゲートを含む、項5または任意の他の前記項記載の方法。
項9
誤りがトランスモンにおいて生じる場合に、空洞の論理キュービットが、影響を受けない、項5または任意の他の前記項記載の方法。
項10
量子操作が量子測定を含む、項1または任意の他の前記項記載の方法。
項11
量子測定が量子パリティ測定を含む、項10または任意の他の前記項記載の方法。
項12
量子測定が誤りシンドロームの測定を含む、項10または任意の他の前記項記載の方法。
項13
マイクロ波照射を支持するように構成される空洞;
空洞に分散的に連結されるアンシラトランスモン;
マイクロ波照射を空洞に適用して、2より多いエネルギー準位の空洞を使用して論理キュービットをエンコードする;
マイクロ波照射をアンシラトランスモンに適用して、2より多いエネルギー準位のアンシラトランスモンを使用して情報をエンコードする;および
マイクロ波照射を適用して、空洞からアンシラトランスモン中の少なくとも1つの誤りの型を切り離す空洞とアンシラトランスモンの間の相互作用を作成する
ように構成されるマイクロ波供給源
を含む、量子情報系。
項14
マイクロ波照射を適用して空洞とアンシラトランスモンの間の相互作用を作成することが、側波帯駆動を適用することを含む、項13記載の量子情報系。
項15
側波帯駆動を適用した場合に、空洞の論理キュービットの進展が、一次のアンシラ誤りに対して透明である、項14または任意の他の前記項記載の量子情報系。
項16
側波帯駆動が:
第1の励起状態のアンシラトランスモンによる空洞上の第1の周波数シフトを、第2の励起状態のアンシラトランスモンによる空洞上の第2の周波数シフトと等しくなるように調整する;および
基底状態(a ground state excited state is)のアンシラトランスモンによる空洞上の第3の周波数シフトを、第2の励起状態のアンシラトランスモンによる空洞上の第2の周波数シフトと等しくなるように調整する
ように構成される、項14または任意の他の前記項記載の量子情報系。
項17
量子操作が量子論理ゲートを含む、項13または任意の他の前記項記載の量子情報系。
項18
量子論理ゲートが、選択的数依存的任意位相(SNAP)ゲート、制御-SWAPゲートまたは指数関数的-SWAPゲートを含む、項17または任意の他の前記項記載の量子情報系。
項19
誤りがトランスモンにおいて起こる場合に、空洞の論理キュービットが影響を受けない、項17または任意の他の前記項記載の量子情報系。
項20
量子操作が、量子パリティ測定および/または誤りシンドロームの測定を含む、項1または任意の他の前記項記載の方法。
Claims (20)
- 2より多いエネルギー準位の空洞を使用して論理キュービットをエンコードする工程;
2より多いエネルギー準位のアンシラトランスモンを使用して情報をエンコードする工程;および
空洞からアンシラトランスモン中の少なくとも1つの誤りの型を切り離す、空洞とアンシラトランスモンの間の相互作用を生成する工程
を含む、
空洞およびアンシラトランスモンを使用してフォールトトレラント(fault-tolerant)量子操作を実行するための方法。 - 空洞とアンシラの間の相互作用を生成する工程が、側波帯駆動を適用する工程を含む、請求項1記載の方法。
- 側波帯駆動を適用した場合に、空洞の論理キュービットの進展が、一次アンシラ誤りに対して透明である、請求項2記載の方法。
- 側波帯駆動が、
アンシラトランスモンが第1の励起状態にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第1の周波数シフトを、アンシラトランスモンが第2の励起状態にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第2の周波数シフトと等しくなるように調整する;および
アンシラトランスモンが基底状態励起状態(a ground state excited state)にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第3の周波数シフトを、アンシラトランスモンが第2の励起状態にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第2の周波数シフトと等しくなるように調整する
ように構成される、請求項2記載の方法。 - 量子操作が量子論理ゲートを含む、請求項1記載の方法。
- 量子論理ゲートが、選択的数依存的任意位相(selective number-dependent arbitrary phase)(SNAP)ゲートを含む、請求項5記載の方法。
- 量子論理ゲートが制御-SWAPゲートを含む、請求項5記載の方法。
- 量子論理ゲートが指数関数的-SWAPゲートを含む、請求項5記載の方法。
- 誤りがトランスモンにおいて生じる場合に、空洞の論理キュービットが、影響を受けない、請求項5記載の方法。
- 量子操作が量子測定を含む、請求項1記載の方法。
- 量子測定が量子パリティ測定を含む、請求項10記載の方法。
- 量子測定が誤りシンドロームの測定を含む、請求項10記載の方法。
- マイクロ波照射を支持するように構成される空洞;
空洞に分散的に連結されるアンシラトランスモン;
マイクロ波供給源、ここで該マイクロ波供給源は、
マイクロ波照射を空洞に適用して、2より多いエネルギー準位の空洞を使用して論理キュービットをエンコードする;
マイクロ波照射をアンシラトランスモンに適用して、2より多いエネルギー準位のアンシラトランスモンを使用して情報をエンコードする;および
マイクロ波照射を適用して、空洞からアンシラトランスモン中の少なくとも1つの誤りの型を切り離す空洞とアンシラトランスモンの間の相互作用を生成する
ように構成される、
を含む、量子情報系。 - マイクロ波照射を適用して空洞とアンシラトランスモンの間の相互作用を生成することが、側波帯駆動を適用することを含む、請求項13記載の量子情報系。
- 側波帯駆動を適用した場合に、空洞の論理キュービットの進展が、一次のアンシラ誤りに対して透明である、請求項14記載の量子情報系。
- 側波帯駆動が:
アンシラトランスモンが第1の励起状態にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第1の周波数シフトを、アンシラトランスモンが第2の励起状態にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第2の周波数シフトと等しくなるように調整する;および
アンシラトランスモンが基底状態励起状態(a ground state excited state)にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第3の周波数シフトを、アンシラトランスモンが第2の励起状態にある場合にアンシラトランスモンにより空洞に適用される第2の周波数シフトと等しくなるように調整する
ように構成される、請求項14記載の量子情報系。 - 量子操作が量子論理ゲートを含む、請求項13記載の量子情報系。
- 量子論理ゲートが、選択的数依存的任意位相(SNAP)ゲート、制御-SWAPゲートまたは指数関数的-SWAPゲートを含む、請求項17記載の量子情報系。
- 誤りがトランスモンにおいて起こる場合に、空洞の論理キュービットが影響を受けない、請求項17記載の量子情報系。
- 量子操作が、量子パリティ測定および/または誤りシンドロームの測定を含む、請求項1記載の方法。
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