Comment les portes quantiques sont-elles mises en œuvre dans la réalité?

Les portes quantiques semblent être comme des boîtes noires. Bien que nous sachions quel type d'opération ils effectueront, nous ne savons pas s'il est réellement possible de mettre en œuvre en réalité (ou, n'est-ce pas?). Dans les ordinateurs classiques, nous utilisons AND, NOT, OR, XOR, NAND, NOR, etc. qui sont principalement mis en œuvre à l'aide de dispositifs à semi-conducteurs tels que des diodes et des transistors. Existe-t-il des implémentations expérimentales similaires de portes quantiques? Existe-t-il une "porte universelle" dans l'informatique quantique (comme la porte NAND est universelle dans l'informatique classique)?

On peut reproduire n'importe quelle porte quantique ou au moins se rapprocher arbitrairement en utilisant un nombre suffisant de portes de rotation CNOT, H, X, Z et $\pi/8$ . En effet, ils forment un ensemble universel de portes quantiques (voir: M. Nielsen et I. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, 2016, page 189 ). Faites attention ici. Il est clair que nous ne pouvons implémenter aucune porte quantique arbitraire $U$ avec une précision infinie. Au lieu de cela, étant donné $\epsilon>0$ , nous implémentons $U_{\epsilon}$ , qui est $\epsilon$ proche de $U$ (voir:MOOC Mécanique Quantique et Calcul Quantique proposé par UC Berkely sur EdX ). Cette imperfection des portes quantiques est l'une des principales raisons pour lesquelles nous avons besoin de codes de correction d'erreur .

Il y a eu des tentatives pour mettre en œuvre ces portes de base. J'ajoute certains des travaux de recherche récents liés à ces tentatives:

• CNOT: Construction d'une porte NON contrôlée basée sur une porte à phase activée par micro-ondes (MAP) dans un système à deux transmons et une porte CNOT N mésoscopique à base d'atomes de Rydberg utilisant STIRAP$\text{CNOT}^{\text{N}}$

• Hadamard (H): Une approche pour réaliser une porte Hadamard quantique par implémentation optique

• Phase flip (Z): mise en œuvre en une étape d'une porte à basculement de phase contrôlée à plusieurs bits et réalisation d'une porte à basculement de phase contrôlée par quantum via un point quantique dans un guide d'onde en cristal photonique à cristal lent en silicium

• Bit Flip (X): Chiral Spin Flipping Gate implémenté dans IBM Quantum Experience

• $\pi/8$

Comme le mentionne Wikipedia, un autre ensemble de portes quantiques universelles se compose de la porte Ising et de la porte à décalage de phase. Ce sont l'ensemble des portes nativement disponibles dans certains ordinateurs quantiques à ions piégés ( Démonstration d'un petit ordinateur quantique programmable avec qubits atomiques ).