Ett viktigt steg mot att demonstrera ett kvantsystem som kan ta itu med svåra problem inom fysik och kemi kommer att utföra en beräkning utöver kapaciteten hos en klassisk dator och därmed uppnå så kallad kvantsuveränitet. I den här studien använde vi nio supraledande qubit för att visa en lovande väg mot kvantsuveränitet. Genom att individuellt justera qubit parametrar, kunde vi generera tusentals olika Hamiltonska evolutioner och sondera utdata sannolikheter. De uppmätta sannolikheterna lyder en universell fördelning, som överensstämmer med en jämn provtagning av hela Hilbertrymden. Allteftersom antalet qubits ökar fortsätter systemet att utforska det exponentiellt växande antalet stater. Utvidga dessa resultat till ett system på 50 qubits har potential att ta itu med vetenskapliga frågor som är bortom kapaciteten hos någon klassisk dator. Ett programmerbart kvantsystem som endast består av 50 till 100 qubits kan ha en markant inverkan på vetenskaplig forskning. Även om en sådan plattform är naturligt lämpad för att ta itu med problem inom kvantkemi och materialvetenskap (1-4), omfattar tillämpningar så olika områden som klassisk dynamik (5) och datavetenskap (6-9). En viktig milstolpe på vägen mot att förverkliga dessa tillämpningar kommer att vara demonstrationen av en algoritm som överstiger kapaciteten hos en klassisk dator och därmed uppnå kvantsuveränitet (10). Provtagningsproblem är ett ikoniskt exempel på algoritmer som utformats särskilt för detta ändamål (11) (12) (13) (14). En framgångsrik demonstration av kvantsuveränitet skulle bevisa att konstruerade kvantsystem, även om de fortfarande är i sin linda, kan överträffa de mest avancerade klassiska datorerna. Betrakta ett system av kopplade qubits vars dynamik utforskar enhetligt alla tillgängliga tillstånd över tiden. Komplexiteten i att simulera denna utveckling på en klassisk dator är lätt att förstå och kvantifiera. Eftersom varje stat är lika viktig är det inte möjligt att förenkla problemet genom att använda ett mindre trunkerat tillståndsutrymme. Komplexiteten är då helt enkelt given av hur mycket klassiskt minne det krävs för att lagra statsvektorn. Att lagra tillståndet i ett 46-qubit system kräver nästan en petabyte minne och är på gränsen till de mest kraftfulla datorer (14, 15). Provtagning från ett sådant systems produktionsannolikhet skulle därför utgöra ett tydligt bevis på kvantsuveränitet. Observera att detta är en övre gräns på endast det antal qubits som krävs-andra begränsningar, såsom beräkningstid, kan sätta praktiska begränsningar på ännu mindre systemstorlekar. I denna studie illustrerar vi experimentellt en plan för att visa kvantsuveränitet. Vi presenterar data som kännetecknar två grundläggande ingredienser som krävs för alla suprematetsexperiment: komplexitet och trohet. För det första visar vi att qubits kan kvasi-uniformly utforska Hilbert utrymme, vilket ger en experimentell indikation på algoritm komplexitet [se (16) för en formell diskussion om beräkning komplexitet]. Därefter jämför vi mätresultaten med det förväntade beteendet och visar att algoritmen kan implementeras med hög trohet. Experiment som visar komplexitet och trohet ger en grund för att demonstrera kvantsuveränitet. Ju mer kontroll en kvantplattform erbjuder, desto lättare är det att bädda in olika applikationer. Av denna anledning har vi utvecklat supraledande gmon qubits, som är baserade på transmon qubits men har tonfiskbara frekvenser och tonfiskbara interaktioner (Fig. 1A)................................................................................................ Den nio-qubit enheten består av tre distinkta sektioner: kontroll (bottom), qubits (center) och avläsning (top). Ett detaljerat kretsdiagram finns i (16). Var och en av våra gmon qubits kan ses som en icke-linjär oscillator. Hamiltonian för enheten ges av varn är numret operatör ochâ † (â) är den stigande (lägre) operatör. Den qubit frekvens sätter koefficienten d i, den ickelinjäritet sätter h i, och närmaste granne koppling sätter g i. De två lägsta energinivåerna (j0i och j1i) bildar qubit subrymden. De högre energinivåerna i qubits, även om bara praktiskt taget upptagen, väsentligt ändra dynamiken. I avsaknad av högre nivåer kartlägger denna modell för att frigöra partiklar och kan simuleras effektivt (16). Införandet av högre nivåer inför effektivt en interaktion och möjliggör uppkomsten av komplexa dynamiker. På bild. 1, B och C, vi beskriver det experimentella förfarandet och ger två fall av rådata output data. Figur 1B visar ett fem-qubit exempel på de pulser som används för att styra qubits. För det första initieras systemet (rött) genom att placera två av qubits i det upphetsade tillståndet; t.ex. j00101i. Dynamiken är ett resultat av att man fixerar qubit-frekvenserna (orange) och samtidigt drar fram alla närmaste grannes interaktioner på och av (grön). Formen på kopplingspulsen väljs för att minimera läckaget från qubit subspace (17). Efter evolutionen mäter vi samtidigt tillståndet för varje qubit. Varje mätning resulterar i ett enda utdatatillstånd, såsom j10010i; experimentet upprepas många gånger för att uppskatta sannolikheten för varje möjligt utdatatillstånd. Vi utför sedan denna procedur för slumpmässigt valda värden av qubit frekvenser, koppel puls längder, och koppel puls höjder. Sannolikheten för de olika produktionstillstånden visas i bild. 1C för två fall av evolution efter 10 kopplingspulser (cykler). Höjden på varje bar representerar sannolikheten för att det utdatatillståndet visade sig i experimenten. Hamiltonianen i Eq. 1 sparar det totala antalet upphetsningar. Detta innebär att om vi börjar i ett tillstånd med hälften av qubits upphetsade, bör vi också sluta i ett tillstånd med hälften av qubits upphetsad. Men de flesta experimentella fel lyder inte denna symmetri, vilket gör att vi kan identifiera och ta bort felaktiga resultat. Även om denna symmetri bidrar till att minska effekten av fel, minskar den något storleken på Hilbert utrymme. För N qubits, antalet stater ges av permutationer av N/2 excitations i N qubits och är cirka 2 N = ffffifffiffi N p. Som ett exempel, en 64-qubit system skulle komma åt ~2 61 stater enligt vårt protokoll. Även om de uppmätta sannolikheterna till stor del verkar slumpmässiga, ger de viktig insikt i systemets kvantdynamik. Ett viktigt inslag i dessa datauppsättningar är de sällsynta, högre än genomsnittets toppar, som är jämförbara med de högintensiva regionerna i en lasers spräckliga mönster. Dessa mycket troliga stater fungerar som ett fingeravtryck på den underliggande evolutionen och utgör ett sätt att kontrollera att den önskade evolutionen genererades på rätt sätt. Fördelningen av dessa sannolikheter visar att dynamiken konsekvent och enhetligt utforskar Hilbertrymden. På bild. 2, Vi använder de uppmätta sannolikheterna för att visa att dynamiken utforskar Hilbert utrymme för experiment som utförs med
Google föreslår en plan för att konstruera slumpmässiga kretsar för att visa kvantsuveränitet på pulsnivå REF.
A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits
{'venue': 'Science', 'journal': 'Science', 'mag_field_of_study': ['Medicine', 'Physics']}