von Neumanns arkitektur för en klassisk dator består av en central bearbetningsenhet och en minneshållningsinstruktioner och data. Vi demonstrerar en kvantcentral bearbetningsenhet som utbyter data med ett kvantum slumpmässig åtkomstminne integrerat på ett chip, med instruktioner lagrade på en klassisk dator. Vi testar vår kvantmaskin genom att utföra koder som innehåller sju kvantelement: Två supraledande kvantbitar kopplade genom en kvantbuss, två kvantminnen och två nollregister. Två viktiga algoritmer för kvantberäkning demonstreras, kvant Fourier transform, med 66 % processtrodelitet, och tre-qubit Toffoli OR fas grind, med 98 % fas trohet. Våra resultat, särskilt i kombination med längre qubit samstämmighet, illustrerar en potentiellt livskraftig strategi för factoring nummer och genomföra enkla kvantfel korrigeringskoder. 1-4 baserat på kärnmagnetisk resonans [5][6][7], instängda joner [8][9][10], och halvledarenheter 11 användes för att förverkliga Shor kvant factoring algoritm 5 och kvantfelkorrigering 6,8. De kvantoperationer som ligger bakom dessa algoritmer inkluderar två-qubit grindar 2,3, kvant Fourier transformera 7,9, och tre-qubit Toffoli grindar 10, 12. Förutom en kvantprocessor, ett andra kritiskt element för en kvantmaskin är ett kvantminne, som har visats, t.ex., med hjälp av optiska system för att kartlägga fotonisk insnärjning i och ut ur atomensembler 13. Superledande kvantkretsar 14 har uppnått ett antal milstolpar, inklusive demonstrationer av två-qubit grindar 5,[15] [16] [17] 19, 20 och avancerad kontroll av både qubit och fotoniska kvanttillstånd 7, 19, 20, 22. Vi demonstrerar en supraledande integrerad krets som kombinerar en processor, utför kvant Fourier transform och en tre-qubit Toffoli-klass OR grind, med ett minne och ett nollregister i en enda enhet. Denna kombination av en quantum central processenhet (quCPU) och ett quantum random-access minne (quRAM), som består av två nyckelelement i en klassisk von Neumann arkitektur, definierar vår quantum von Neumann arkitektur. I vår arkitektur (Fig. 1A), quCPU utför en-, två- och tre-qubit grindar som behandlar kvantinformation, och den intilliggande quRAM tillåter kvantinformation att skrivas, läsas ut och nollställas. QuCPU innehåller två supraledande fas qubits 5,7, 19, 22 QuRAM (magenta lådor) består av två minnen M 1 och M 2 och två nollställning register Z 1 och Z 2. De horisontella streckade linjerna anger kopplingar mellan beräkningselementen. Den vertikala riktningen representerar frekvensen, där minnes- och nollställningsregistren är fasta i frekvens, medan qubit-övergångsfrekvenserna kan ställas in via z-pules (grå streckade dubbla pilar). (B) Swapspektroskopi 7 för Q 1 (vänster) och Q 2 (höger): Qubit exciterat tillstånd P e (färgskala) vs. z-puls amplitud (vertikal axel) och fördröjningstid (horisontell axel), efter spännande qubit med en π-puls. Vid noll z-puls amplitud är qubits på sin tomgång punkter, där de har en energiavkoppling tid T rel 400 ns. Ett separat Ramsey experiment ger qubits "defasing time T deph 200 ns. Genom att justera z-pulsamplituden kan qubit-övergångsfrekvenserna f Q 1 och f Q 2 varieras mellan 5,5 och 8 GHz. För z-puls amplituder som anges av B och M 1 för Q 1, och av B och M 2 för Q 2, "chevron mönster" av en qubit-resonator interaktion observeras 7. Övergångsfrekvenserna för B, M 1 och M 2 är f B = 6,82 GHz, f M 1 = 6,29 GHz respektive f M 2 = 6,34 GHz. Från chevron oscillation får vi qubit-resonator koppling styrkor, som för både resonatorbussen och minnena är 20 MHz (splitting) för.g en Qubit övergång, och  på 2 snabbare för den. e  och f övergång (t.ex., e, och f är de tre lägsta qubit stater) 22. För alla resonatorer T rel 4 μs. Swapspektroskopi visar också att qubits interagerar med flera lägen i samband med falska två-nivå system. Två av dem, Z 1 och Z 2, används som nollställning register. Deras övergångsfrekvenser är f Z 1 = 6,08 GHz respektive f Z 2 = 7,51 GHz, med kopplingsstyrkan till kvadrerna på 17 MHz. av en supraledande mikrovågsresonator B. QuRAM består av två supraledande resonatorer M 1 och M 2 som fungerar som kvantminnen, samt ett par nollor register Z 1 och Z 2, två nivåer system som används för att dumpa kvantinformation. Chipsgeometrin liknar den i Refs. 7,22, med tillägg av de två nollställning register. Figur 1B visar karakteriseringen av enheten med hjälp av swapspektroskopi 7. Beräkningsförmågan hos vår arkitektur visas i bild. 2A, där en 7-kanals kvantkrets, vilket ger en 128-dimensionell Hilbert utrymme, utför en prototypisk algoritm. Först skapar vi en Bell-state mellan Q 1 och Q 2 med hjälp av en serie av π-pulse, iSWAP, och iSWAP operationer (steg I, a till c) 22. Motsvarande densitetsmatrisρ (I) [ Bild ρ (III) [Fig. 2C (III)) skapas mellan qubits, med hjälp av en sekvens som liknar den första operationen (steg III, a till c). För att återanvända qubits Q 1 och Q 2, till exempel för att läsa upp den kvantinformation som lagras i minnena M 1 och M 2, den andra Bell tillstånd måste dumpas 23. Detta uppnås med hjälp av två nollställning grindar, genom att Q 1 på resonans med Z 1 och Q 2 med Z 2 för en nollställningstid τ z, motsvarande en full iSWAP (steg IV). Figur 2B visar motsvarande dynamik, där varje qubit, initialt i uppspelt tillstånd, mäts i marktillståndet  och efter 30 ns. Det nollade tvåkvadratsystemets densitetsmatrisρ (IV) visas i bild. 2C (i.v.) och 2C (i.v.). När qubits har nollställts kan de användas för att läsa minnena (steg V), så att vi kan verifiera att det lagrade tillståndet fortfarande är insnärjt i slutet av algoritmen. Detta visas tydligt av densitetsmatrisen som visas i Förmågan att lagra trassling i minnena, som kännetecknas av mycket längre sammanhängande tider än qubits, är nyckeln till kvant von Neumann arkitektur. Vi visar denna förmåga i (IV). För qubits, lagringstiden τ st definieras som väntetiden i slutet av steg (I), innan mätningen av qubit tillstånd, medan för resonatorerna väntetiden är att mellan skriva och läsa steg. Qubit-tillståndens trohet förfaller till under 0,2 efter 400 ns, medan den för de tillstånd som lagras i minnena förblir över 0,4 upp till 1,5 μs. Viktigast av allt, efter bara 100 ns det tillstånd som lagras i qubits inte bevara någon insnärjning, som indikeras av en noll koncurrence, medan minnena behåller sin insnärjning för minst 1,5 μs (Fig. 2E)............................................................................................................ Vi förväntar oss att dra nytta av vår arkitektur i långa beräkningar, där qubit-tillstånd kan skyddas och återanvändas genom att skriva in dem i, och läsa dem ur, det sedan länge levande quRAM. Två-qubit universella portar är en viktig resurs för driften av quCPU 2,3. En mängd olika sådana portar har genomförts i supraledande kretsar 5,[15] [16] [17] 19, 20, med några senaste demonstrationer av kvantalgoritmer 5, 16. Kontroll Z-π (CZ-π) portar är lätt att genomföra med supraledande qubits, på grund av enkel tillgång till den tredje energi tillståndet i qubit, effektivt fungerar qubit som en qutrit 5, 16, 20, 25. CZ-π-grindarna är dock bara en del av den mer allmänna klassen av CZ-ί-grindar, som erhållits för specialfallet där fas ∂ = π. I vår arkitektur, den fulla klassen av CZ- på grindar, med 0 till π, kan genereras genom att koppla en qutrit nära 4 resonans med en buss resonator. Figur 3A visar den kvantlogikkrets som genererar CZ-enporten (vänster) och en korthandssymbol för grinden (höger). Logikkretsen visar det icke-triviala fallet där qubits Q 1 och Q 2 förs från sitt ursprungliga marktillstånd till  och Q 1 Q 2 =  med hjälp av en π-puls till varje qubit. Spänningen i Q 2 överförs sedan till buss resonator B, och Q 1's  på grund av övergången kom nära resonans med B för den tid som krävs för en 2π-rotation, där staterna  till Q 1 B = E1 och F0 detoneras av en frekvens δ Q 1 B, som vi kallar en "semi-resonant tillstånd." I denna process Q 1 förvärvar den fas varg Q 1 B är kopplingsfrekvensen mellan  på e1 och påf0. Det sista steget är att flytta spänningen från B tillbaka till Q 2. Tids-domänswapparna för Q 1 B mellan staterna  på e1 och på f0 visas i bild. 3B, där den fasta svarta linjen anger de avläsningar och motsvarande interaktionstider som används för att generera någon fas 0  och π (normalt  och → 0 när δ Q 1 B → ∞). Dessa faser mäts genom att utföra två Ramsey experiment på Q 1 för varje värde av dettueringen δ Q 1 B, en med B i det 0-tillståndet, och den andra med B i det 1-tillståndet. Den relativa fasen mellan Ramsey fransarna motsvarar värdet av en för CZ- och gate 26, som visas i bild. Detta beslut träder i kraft den tjugonde dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. En mer sofistikerad version av detta experiment utförs genom att initiera Q 1 och Q 2 var och en i superpositionstillståndet. Vi flyttar Q 2 s tillstånd in i B, utför en CZ-en grind med 0  på π, flytta tillståndet i B tillbaka till Q 2, rotera Q 1 s resulterande tillstånd av π/2 om y-axeln, och utföra en gemensam mätning av Q 1 och Q 2. I idealfallet gör detta protokoll det möjligt att skapa två-bitars tillstånd som sträcker sig från ett produkttillstånd till 0 till ett maximalt invecklat tillstånd för  och = π. I två-qubit basuppsättningen M 2 = { tillg,  påg,  påge,  påee }, den allmänna densitetsmatrisen för sådana två-qubit tillstånd läserρ figur 3D visar troheten och insnärjning av bildandet (EOF) 6 av två-qubit tillstånd som genereras med hjälp av 70 värden av  på. I figur 3E visas tre exempel påρ (= 0,28), (= π/2) och (= π). Det tillstånd som genereras med hjälp av  ska = π/2 spelar en central roll i genomförandet av två-qubit kvant Fourier transform. Försummelse bit-order reversering, kvant Fourier transform kan realiseras genom att tillämpa en Hadamard grind till Q 2, följt av en CZ-π/2 grind mellan Q 1 och Q 2, och slutligen en Hadamard på Q 1 2,7,9, som skissas i Bild. 3F (övre vänstern). Representerar indatatillståndet för transform som  påx (position) och utdata som  påp (momentum), antar.x  på M 2 och indexen x och p är heltal, med p 0, 1, 2, 3}, utdatatillståndet.p = 3 x=0 e i 2π xp/4.x /2, vilket motsvarar en 4×4 enhetlig operatör. Denna operatör kan helt karakteriseras med hjälp av kvantprocesstomografi 2,5, vilket gör att vi kan få χ p m matris 2,5 visas i bild. 3F (Bottom) och 3F (Bottom). Slutligen, genom att kombinera CZ- och nollningsgrindarna, kan vi genomföra en tofoli-klass gate 10,12,27, den trekvadrat OR fas grind. Denna grind, kombinerad med enkla qubit rotationer, är tillräcklig för universell beräkning. En tofoli gate är en dubbelkontrollerad kvantoperation, där en enhetlig operation tillämpas på en målqubit som är föremål för tillstånd av två kontrollqubits. Den kanoniska toffolin är en dubbelkontrollerad NOT-port; här anser vi en dubbelkontrollerad fasport, som är ekvivalent genom en förändring av basen av målet qubit. I den kanoniska Toffoli porten, är kontroll grinden tillämpas om både kontroll qubits, Q 1 OCH Q 2, är i tillstånd e. I vårt fall, styrgrinden tillämpas villkorligt om kontrollerna Q 1 ELLER Q 2 är i E. Dessutom har vi implementerat en tre-qubit grind för den logiska funktionen XOR, som, även om inte en Tofoli-klass grind, hjälper till att förstå den mer komplexa OR grinden. De kvantlogiska kretsarna för XOR- och OR-portarna är ritade i bild. 4, A och D. Kontrollen qubits är Q 1 och Q 2 och målet är bussen resonator B, fungerar effektivt som den tredje qubit (som endast staterna 0 och  på 1 av B används). XOR-porten förverkligas som en serie av två CZ-π-portar mellan kontrollerna och målet, och OR-porten som serie 1 /2 CZ-π, CZ-π och 1 /2 CZ-π, i en "M-form" konfiguration. Sanningsbordet för XOR-porten visas i bild. 4B (Topp). Kontrollen qubits Q 1 och Q 2 antas vara i ett av de stater i M 2, medan målet B är i 0 +  på 1. Målet förvärvar en fas π, vilket motsvarar ett "sann" resultat, endast när kontrollerna är i staten  och Q 1 Q 2 =. För det andra icke-triviala fallet (Q 1 Q 2 =.ee) förvärvar målet 0 fas, vilket motsvarar ett "falskt" resultat. Detta beror på åtgärden av de två CZ-π grindar, vilket ger en global fas π när någon av kontrollerna är i  och en fas 2π (motsvarande en 0 fas) när båda är i E. Sanningen tabellen kan mätas experimentellt genom att utföra Ramsey experiment på målet, ett för varje par av kontrolltillstånd. Experimenten realiseras genom att (i) förbereda Q 2 i superpositionstillståndet.g +.e med hjälp av en π/2-puls; (ii) flytta tillståndet från Q 2 till B, vilket skapar ett XOR-tillstånd i B; (iii), förbereda Q 1 och Q 2 i varje möjligt par av kontrolltillstånd i M 2 med hjälp av π-pulses; (iv), utföra XOR-porten; (v), nollställning Q 2 till Z 2 i slutet av XOR-porten; (vi), flytta det slutliga måltillståndet från B till noll Q 2 ; (vii), slutföra Ramsey-sekvensen på Q 2 med en andra π/2-puls med variabel rotationsaxel i förhållande till pulsen 6 i (i). Mätresultaten visas i bild. 4B (Bottom), tillsammans med de minst fyrkantiga passar som används för att extrahera fasinformation i samband med varje värde på sanningstabellen. Ramsey fransar för de två kontroll stater  påge och  påg är inverterade i förhållande till referenstillståndet  pågg, som förväntat från XOR porten sanningstabellen. I allmänhet, med tanke på Q 1 -Q 2 -B grunduppsättningen M 3 = { eng0, eng1, enge0, enge1, eng0, eng1, enee0, enee1 }, vektorn τ XOR av de diagonala element som är förknippade med den idealiska enhetliga matrisen av XOR porten avläser medan alla off-diagonala element i matrisen är noll. Varje element τ XOR k kan uttryckas som en komplex exponentiell e i  påln, med  tilllmn M 3. Fasen kan vara antingen 0, när τ Bland de åtta värdena av  och, bara sju är fysiskt oberoende, eftersom elementet e i  och Gg0 kan faktoriseras, minska uppsättningen av möjliga faser till. I analogi med sanningstabellen för mål B, en tabell med fyra fasskillnader kan också erhållas för kontrollerna Q 1 och Q 2, vilket resulterar i totalt tolv fasskillnader. Dessa skillnader kan mätas genom att utföra Ramsey experiment både på målet och kontroll qubits. Det kan visas att från de tolv fasskillnader, kan man få de sju oberoende faser i samband med diagonala element τ XOR k 26, alltså förverkliga en kvantfas tomografi av Tofoli gate 28. Figur 4C visar fastomografiresultaten för vårt experimentella genomförande av XOR-porten. Sanningstabellen för M-porten redovisas i bild. 4E (Top), där den enda skillnaden från XOR-porten är den fas π förvärvad av mål B när kontrollerna Q 1 och Q 2 lastas i tillstånd. I det här fallet, åtgärden av den första 1 /2 CZ-π grinden mellan Q 1 och B hyllor den 1 staten från B till den icke-beräkningsstaten  på Q 1, där det förblir fram till den andra 1 /2 CZ-π grinden. Flytta tillståndet för Q 1 utanför beräkningsutrymmet under den mellanliggande CZ-π grinden mellan Q 2 och B effektivt stänga av CZ-π gate 12,29. Mål B förvärvar således endast en total fas π på grund av den kombinerade åtgärden av de två 1 /2 CZ-π portarna (jfr. Bilda. Detta anslag är avsett att täcka utgifter för studier, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter och experter samt andra administrativa utgifter. Det experimentella sanningsbordet från Ramsey-fransarna visas i bild. 4E (Bottom) Vektorn τ M av de diagonala element som är förknippade med M-portens ideala enhetliga matris är τ M = (1, 1, 1, −1, −1, 1, −1). Ett liknande förfarande som för XOR-porten gör att vi kan få kvantfastomografin av M-porten (Fig. Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Kvantfastomografi gör det möjligt att definiera fastroheten hos XOR- och M-porten, där ε är rot-medel-kvadratfasfelet, med en övre gräns för π. För XOR-porten finner vi att F = 0,954 ± 0,004 och för M-porten F = 0,979 ± 0,003. Våra resultat ger optimism för det nära förestående genomförandet av en större kvantprocessor 1-3 baserad på superledande kretsar. Vår arkitektur visar att proof-of-concept factorization algoritmer 2,3,5 och enkla kvantfelkorrigering koder 2,3,6,8 kan vara möjligt att uppnå med hjälp av detta tillvägagångssätt.
Mariantoni m.fl. REF föreslog kvantum von Neumann arkitektur inklusive dedikerad hårdvara för minnen, nollställning register, och en kvantbuss.
Implementing the Quantum von Neumann Architecture with Superconducting Circuits
{'venue': 'Science 334, 61-65 (2011)', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Computer Science', 'Physics', 'Medicine']}