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Entangling logical qubits with lattice surgery
Nature ( IF 42.778 ) Pub Date : 2021-01-13 , DOI: 10.1038/s41586-020-03079-6
Alexander Erhard; Hendrik Poulsen Nautrup; Michael Meth; Lukas Postler; Roman Stricker; Martin Stadler; Vlad Negnevitsky; Martin Ringbauer; Philipp Schindler; Hans J. Briegel; Rainer Blatt; Nicolai Friis; Thomas Monz

The development of quantum computing architectures from early designs and current noisy devices to fully fledged quantum computers hinges on achieving fault tolerance using quantum error correction1,2,3,4. However, these correction capabilities come with an overhead for performing the necessary fault-tolerant logical operations on logical qubits (qubits that are encoded in ensembles of physical qubits and protected by error-correction codes)5,6,7,8. One of the most resource-efficient ways to implement logical operations is lattice surgery9,10,11, where groups of physical qubits, arranged on lattices, can be merged and split to realize entangling gates and teleport logical information. Here we report the experimental realization of lattice surgery between two qubits protected via a topological error-correction code in a ten-qubit ion-trap quantum information processor. In this system, we can carry out the necessary quantum non-demolition measurements through a series of local and entangling gates, as well as measurements on auxiliary qubits. In particular, we demonstrate entanglement between two logical qubits and we implement logical state teleportation between them. The demonstration of these operations—fundamental building blocks for quantum computation—through lattice surgery represents a step towards the efficient realization of fault-tolerant quantum computation.



中文翻译:

用晶格手术纠缠逻辑量子位

量子计算体系结构从早期的设计和当前的噪声设备到成熟的量子计算机的发展取决于使用量子纠错1,2,3,4实现容错。但是,这些校正功能会带来开销,用于对逻辑量子位(以物理量子位的形式编码并受纠错码保护的量子位)执行必要的容错逻辑操作。5,6,7,8。实现逻辑运算的最节省资源的方法之一是晶格手术9,10,11可以将排列在格子上的物理量子位组合并和拆分,以实现纠结的门和传送逻辑信息。在这里,我们报告在一个十量子位离子阱量子信息处理器中通过拓扑错误校正码保护的两个量子位之间的晶格手术的实验实现。在这个系统中,我们可以通过一系列局部和纠缠门进行必要的量子非爆破测量,以及对辅助量子位的测量。特别是,我们演示了两个逻辑量子位之间的纠缠,并在它们之间实现了逻辑状态隐形传态。通过晶格手术对这些操作(用于量子计算的基本构件)的演示代表了朝着有效实现容错量子计算迈出的一步。

更新日期:2021-01-13
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