論文の概要: Direct Implementation of High-Fidelity Three-Qubit Gates for Superconducting Processor with Tunable Couplers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.18319v1
• Date: Thu, 30 Jan 2025 12:57:57 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-01-31 15:14:45.337406
• Title: Direct Implementation of High-Fidelity Three-Qubit Gates for Superconducting Processor with Tunable Couplers
• Title（参考訳）: 可変結合器を用いた超電導プロセッサ用高忠実三ビットゲートの直接実装
• Authors: Hao-Tian Liu, Bing-Jie Chen, Jia-Chi Zhang, Yong-Xi Xiao, Tian-Ming Li, Kaixuan Huang, Ziting Wang, Hao Li, Kui Zhao, Yueshan Xu, Cheng-Lin Deng, Gui-Han Liang, Zheng-He Liu, Si-Yun Zhou, Cai-Ping Fang, Xiaohui Song, Zhongcheng Xiang, Dongning Zheng, Yun-Hao Shi, Kai Xu, Heng Fan,
• Abstract要約: 3量子ゲートは1量子ゲートと2量子ゲートの組み合わせで構築できるため、独立性は不要である。 可変カプラを用いたフリップチップ超伝導量子プロセッサにおいて3ビット制御制御Z(CCZ)ゲートを実装するための高忠実性スキームを提案し,実験的に実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 18.682049956714156
• License:
• Abstract: Three-qubit gates can be constructed using combinations of single-qubit and two-qubit gates, making their independent realization unnecessary. However, direct implementation of three-qubit gates reduces the depth of quantum circuits, streamlines quantum programming, and facilitates efficient circuit optimization, thereby enhancing overall performance in quantum computation. In this work, we propose and experimentally demonstrate a high-fidelity scheme for implementing a three-qubit controlled-controlled-Z (CCZ) gate in a flip-chip superconducting quantum processor with tunable couplers. This direct CCZ gate is implemented by simultaneously leveraging two tunable couplers interspersed between three qubits to enable three-qubit interactions, achieving an average final state fidelity of $97.94\%$ and a process fidelity of $93.54\%$. This high fidelity cannot be achieved through a simple combination of single- and two-qubit gate sequences from processors with similar performance levels. Our experiments also verify that multi-layer direct implementation of the CCZ gate exhibits lower leakage compared to decomposed gate approaches. To further showcase the versatility of our approach, we construct a Toffoli gate by combining the CCZ gate with Hadamard gates. As a showcase, we utilize the CCZ gate as an oracle to implement the Grover search algorithm on three qubits, demonstrating high performance with the target probability amplitude significantly enhanced after two iterations. These results highlight the advantage of our approach, and facilitate the implementation of complex quantum circuits.
• Abstract（参考訳）: 3量子ゲートは1量子ゲートと2量子ゲートの組み合わせで構築できるため、独立性は不要である。 しかし、3量子ゲートの直接実装は量子回路の深さを減らし、量子プログラミングを効率化し、効率的な回路最適化を容易にし、量子計算における全体的な性能を向上させる。 本研究では,フリップチップ型超伝導量子プロセッサにおいて3ビット制御制御Z(CCZ)ゲートを実装するための高忠実性スキームを提案し,実験的に実証する。 この直接CCZゲートは、3つのキュービット間で交差する2つの調整可能なカプラを同時に利用して3つのキュービット相互作用を可能にし、平均的な最終状態忠実度が9.7.94\%$、プロセス忠実度が9.3.54\%$となる。 この高い忠実度は、同等の性能のプロセッサからの単一ビットと2ビットのゲートシーケンスの単純な組み合わせで達成できない。 また, CCZゲートの多層直接実装は, 分解ゲートアプローチよりも低リーク性を示すことを示した。 さらに,提案手法の汎用性を示すために,CCZゲートとアダマールゲートを組み合わせることでトフォリゲートを構築する。 そこで本研究では,CCZゲートをオラクルとして使用して,Grover検索アルゴリズムを3キュービットに実装し,2回の反復で目標確率の振幅が大幅に向上することを示す。 これらの結果は、我々のアプローチの利点を強調し、複雑な量子回路の実装を容易にする。

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