論文の概要: Speed limits of two-qubit gates with qudits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2312.09218v1
• Date: Thu, 14 Dec 2023 18:49:11 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-12-15 20:26:51.625840
• Title: Speed limits of two-qubit gates with qudits
• Title（参考訳）: quditを有する2量子ゲートの速度制限
• Authors: Bora Basyildiz, Casey Jameson, and Zhexuan Gong
• Abstract要約: 結合相互作用強度と高速単一量子ゲートを用いた2量子ゲートの速度限界に対する最適理論境界を求める。 我々は、ほぼ完全なゲート忠実度で理論上の限界に近いスピードアップを達成できる、オープンソースの機械学習支援量子最適制御アルゴリズムを開発した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5852077003870417
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The speed of elementary quantum gates ultimately sets the limit on the speed at which quantum circuits can operate. For a fixed physical interaction strength between two qubits, the speed of any two-qubit gate is limited even with arbitrarily fast single-qubit gates. In this work, we explore the possibilities of speeding up two-qubit gates beyond such a limit by expanding our computational space outside the qubit subspace, which is experimentally relevant for qubits encoded in multi-level atoms or anharmonic oscillators. We identify an optimal theoretical bound for the speed limit of a two-qubit gate achieved using two qudits with a bounded interaction strength and arbitrarily fast single-qudit gates. In addition, we find an experimentally feasible protocol using two parametrically coupled superconducting transmons that achieves this theoretical speed limit in a non-trivial way. We also consider practical scenarios with limited single-qudit drive strengths and off-resonant transitions. For such scenarios, we develop an open-source, machine learning assisted, quantum optimal control algorithm that can achieve a speedup close to the theoretical limit with near-perfect gate fidelity. This work opens up a new avenue to speed up two-qubit gates when the physical interaction strength between qubits cannot be easily increased while extra states outside the qubit subspace can be well controlled.
• Abstract（参考訳）: 基本量子ゲートの速度は、最終的に量子回路が動作可能な速度の限界を設定する。 2つのキュービット間の一定の物理的相互作用強度では、任意の2キュービットゲートの速度は任意に速いシングルキュービットゲートでも制限される。 本研究では,マルチレベル原子やアンハーモニック発振器で符号化された量子ビットに対して実験的に関連する量子ビット部分空間の外側に計算空間を広げることで,そのような限界を超えた2量子ビットゲートの高速化の可能性を検討する。 有界な相互作用強度と任意に高速な単一量子ゲートを持つ2つのquditを用いて、2量子ビットゲートの速度限界に対する最適理論バウンドを同定する。 さらに,この理論速度限界を非自明な方法で達成する2つのパラメトリック結合超伝導トランスモンを用いた実験的に実現可能なプロトコルを見出した。 また,シングルクイット駆動強度とオフ共振遷移が制限された実用的なシナリオも検討する。 このようなシナリオのために、我々はオープンソースの機械学習支援量子最適制御アルゴリズムを開発し、ほぼ完全なゲート忠実性を持つ理論上の限界に近いスピードアップを達成する。 この研究は、キュービット間の物理的相互作用強度を増大させることができず、キュービット部分空間の外側の余分な状態が十分に制御できる場合に、2キュービットゲートを高速化する新たな道を開く。

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