Researchers have implemented a gate used in important quantum algorithms in one step on a three-level quantum system—a qutrit—for the first time.
The new work led by Ali Yurtalan, Research Associate at IQC and in the University of Waterloo Department of Physics and Astronomy, identifies and addresses key challenges to controlling a qutrit, bringing researchers one step closer to developing quantum computers based on these multi-level quantum processors.
In computing, a gate is a logical operation that processes inputs to generate an output. In a classical computer, a gate returns a 0 or a 1. A gate implemented on a qubit—a quantum bit—returns a 0, 1, or some superposition of those possibilities. A gate implemented on a qutrit has many more possible outputs, including a 0, 1, 2, or some superposition between any or all these states.
An extra level in each processing unit of a computer means a lot more options for implementing existing quantum algorithms and developing new ones. It also opens the possibility of quantum processors that process information with two levels like a qubit but use the third level of a qutrit to help with things like error correction.
But adding another level to a system doesn’t just add capability. It also adds complexity.
“There are challenges when you’re addressing a qutrit,” said Yurtalan. “When you try to control all three levels of the system at the same time, there are going to be shifts to the energy levels of the qutrit.”
The researchers, working with faculty member Sahel Ashhab of Hamad Bin Khalifa University, were able to identify and characterize the shifts of the energy levels in their superconducting qutrit. They then dynamically compensated for these shifts while they implemented their gate across all three levels of the qutrit with one microwave pulse.
“We’ve identified the natural challenges that will arise when trying to control these qutrits, and we identified how to address them,” said Yurtalan. “This understanding will hopefully help us generalize our gate implementation to systems with more than three levels.”
The gate that the team implemented is common to many critical quantum algorithms that will have powerful capabilities once there are quantum computers powerful and stable enough to run them. And while the gate is just one small part of any given algorithm, Yurtalan is hopeful that this work is a step towards control of powerful quantum computers made up of qudits, the general term for quantum systems with three or more levels.
“Implementing this gate is a step towards implementing critical quantum algorithms, so this development is another small step towards useful quantum computation.”
The superconducting qutrit the researchers implemented their gate on was also the object of research for the latest IQC Achievement Award winner, Michal Kononenko, also an author on this paper.
Implementation of a Walsh-Hadamard Gate in a Superconducting Qutrit was published in Physical Review Letters October 27, 2020.
Des qubits amenés à un autre niveau
Pour la première fois, des chercheurs ont mis en œuvre dans un système quantique à 3 niveaux — un qutrit — une porte utilisée dans d’importants algorithmes quantiques à une étape.
Dirigés par Ali Yurtalan, associé de recherche à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, ces travaux définissent et abordent les principales difficultés du contrôle d’un qutrit, rapprochant les chercheurs de la réalisation d’ordinateurs quantiques centrés sur de tels processeurs quantiques multiniveaux.
En informatique, une porte est un opérateur logique qui traite des intrants pour produire un extrant. Dans un ordinateur classique, une porte donne 0 ou 1. Une porte réalisée sur un qubit — bit quantique — donne 0, 1, ou une superposition de ces 2 possibilités. Une porte réalisée sur un qutrit a beaucoup plus d’extrants possibles : 0, 1, 2, ou une superposition de n’importe lesquels de ces 3 états.
L’ajout d’un niveau dans chaque unité de traitement d’un ordinateur signifie qu’il y a beaucoup plus d’options disponibles pour mettre en œuvre des algorithmes quantiques existants et en élaborer de nouveaux. Il ouvre aussi la possibilité que des processeurs quantiques traitent de l’information à 2 niveaux comme s’ils étaient faits de qubits, mais en utilisant le 3e niveau des qutrits pour des opérations telles que la correction d’erreurs.
Mais l’ajout d’un niveau à un système n’augmente pas seulement ses possibilités. Il en augmente aussi la complexité.
« Les qutrits posent des difficultés, dit M. Yurtalan. Si l’on essaie de contrôler les 3 niveaux du système en même temps, cela crée des changements dans les niveaux d’énergie des qutrits. » [traduction]
Les chercheurs, qui ont travaillé avec le professeur Sahel Ashhab de l’Université Hamad-Ben-Khalifa, ont pu définir et caractériser les changements dans les niveaux d’énergie de leur qutrit supraconducteur. Ils ont ensuite compensé ces changements de manière dynamique, tout en mettant en œuvre leur porte dans les 3 niveaux du qutrit avec une impulsion de micro-onde.
« Nous avons identifié les difficultés naturelles qui surgissent lorsque l’on essaie de contrôler ces qutrits, dit M. Yurtalan, et nous avons défini la manière de s’y attaquer. Nous espérons que cela nous aidera à généraliser de telles portes à des systèmes ayant plus de 3 niveaux. » [traduction]
La porte mise en œuvre par l’équipe est commune à de nombreux algorithmes quantiques cruciaux, qui auront de grandes possibilités lorsqu’il y aura des ordinateurs quantiques suffisamment puissants et stables pour les exécuter. Même si une telle porte ne constitue qu’une petite partie de n’importe quel algorithme, Ali Yurtalan espère que ces travaux sont une étape vers le contrôle de puissants ordinateurs quantiques faits de qudits, unités élémentaires générales de systèmes quantiques à 3 niveaux ou plus.
« Comme cette porte est une étape vers la mise en œuvre d’algorithmes quantiques cruciaux, poursuit M. Yurtalan, elle constitue un petit pas vers l’informatique quantique utile. » [traduction]
Le qutrit supraconducteur sur lequel les chercheurs ont mis en œuvre leur porte a également fait l’objet des travaux de Michal Kononenko, le plus récent lauréat du prix d’excellence de l’IQC et aussi l’un des auteurs de cet article.
L’article intitulé Implementation of a Walsh-Hadamard Gate in a Superconducting Qutrit (Mise en œuvre d’une porte de Walsh-Hadamard dans un qutrit supraconducteur) a été publié le 27 octobre 2020 dans Physical Review Letters.