論文の概要: Dancing the Quantum Waltz: Compiling Three-Qubit Gates on Four Level Architectures

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2303.14069v3
• Date: Tue, 27 Feb 2024 14:03:27 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-02-29 00:55:35.118565
• Title: Dancing the Quantum Waltz: Compiling Three-Qubit Gates on Four Level Architectures
• Title（参考訳）: dance the quantum waltz: 3量子ビットゲートを4レベルアーキテクチャにコンパイルする
• Authors: Andrew Litteken (1), Lennart Maximilian Seifert (1), Jason D. Chadwick (1), Natalia Nottingham (1), Tanay Roy (1 and 2), Ziqian Li (1 and 3), David Schuster (1 and 3), Frederic T. Chong (1), Jonathan M. Baker (4) ((1) University of Chicago, (2) Fermilab, (3) Stanford University, (4) Duke University)
• Abstract要約: 本稿では,超伝導系アーキテクチャへの3量子ゲートのコンパイルのために,最適制御により合成された数個の3量子ゲートの直接対パルス実装について述べる。 Toffoliゲートの実行に一時的に高レベル状態を使用し、量子回路の忠実性を改善するために常に高レベル状態を使用する戦略を実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Superconducting quantum devices are a leading technology for quantum computation, but they suffer from several challenges. Gate errors, coherence errors and a lack of connectivity all contribute to low fidelity results. In particular, connectivity restrictions enforce a gate set that requires three-qubit gates to be decomposed into one- or two-qubit gates. This substantially increases the number of two-qubit gates that need to be executed. However, many quantum devices have access to higher energy levels. We can expand the qubit abstraction of $|0\rangle$ and $|1\rangle$ to a ququart which has access to the $|2\rangle$ and $|3\rangle$ state, but with shorter coherence times. This allows for two qubits to be encoded in one ququart, enabling increased virtual connectivity between physical units from two adjacent qubits to four fully connected qubits. This connectivity scheme allows us to more efficiently execute three-qubit gates natively between two physical devices. We present direct-to-pulse implementations of several three-qubit gates, synthesized via optimal control, for compilation of three-qubit gates onto a superconducting-based architecture with access to four-level devices with the first experimental demonstration of four-level ququart gates designed through optimal control. We demonstrate strategies that temporarily use higher level states to perform Toffoli gates and always use higher level states to improve fidelities for quantum circuits. We find that these methods improve expected fidelities with increases of 2x across circuit sizes using intermediate encoding, and increases of 3x for fully-encoded ququart compilation.
• Abstract（参考訳）: 超伝導量子デバイスは量子計算の最先端技術であるが、いくつかの課題を抱えている。 ゲートエラー、コヒーレンスエラー、接続性の欠如はいずれも、信頼性の低い結果に寄与する。 特に接続制限は、3量子ゲートを1または2量子ゲートに分解する必要があるゲートセットを強制する。 これにより、実行すべき2ビットゲートの数を大幅に増加させる。 しかし、多くの量子デバイスはより高いエネルギーレベルにアクセスできる。 qubitの$|0\rangle$と$|1\rangle$の抽象化を$|2\rangle$と$|3\rangle$の状態にアクセスできるququartに拡張できます。 これにより、2つの量子ビットを1つの量子ビットにエンコードすることができ、2つの隣接する量子ビットから4つの完全に接続された量子ビットへの物理ユニット間の仮想接続が増加する。 この接続方式により、2つの物理デバイス間でより効率的に3量子ビットゲートを実行できる。 最適制御により合成された数個の3量子ゲートの直接対パルス実装を行い、最適制御により設計された4レベルキュートゲートの最初の実験実験で、4レベルデバイスにアクセス可能な超伝導アーキテクチャ上に3量子ゲートをコンパイルする。 我々は、トッフォリゲートの実行に一時的に高レベル状態を使用し、常に高レベル状態を使用して量子回路のフィダリティを改善する戦略を示す。 これらの手法は,中間符号化を用いて回路サイズを2倍に向上し,完全符号化クォートコンパイルでは3倍に向上する。

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