Como as portas quânticas são implementadas na realidade?

Os portões quânticos parecem ser caixas pretas. Embora saibamos que tipo de operação eles executarão, não sabemos se é realmente possível implementar na realidade (ou sabemos?). Nos computadores clássicos, usamos AND, NOT, OR, XOR, NAND, NOR, etc, que são implementados principalmente usando dispositivos semicondutores, como diodos e transistores. Existem implementações experimentais semelhantes de portões quânticos? Existe algum "portão universal" na computação quântica (como o portão NAND é universal na computação clássica)?

Pode-se replicar qualquer porta quântica ou pelo menos se aproximar arbitrariamente usando número suficiente de portas de rotação CNOT, H, X, Z e $\pi/8$ . Isso ocorre porque eles formam um conjunto universal de portas quânticas (consulte: M. Nielsen e I. Chuang, Computação Quântica e Informações Quânticas, Cambridge University Press, 2016, página 189 ). Tenha cuidado aqui. Claramente, não podemos implementar nenhum portão quântico arbitrário $U$ com precisão infinita. Em vez disso, dado $\epsilon>0$ , implementamos $U_{\epsilon}$ , que é $\epsilon$ -Perto $U$ (referem-se a:Mecânica Quântica e MOOC de Computação Quântica oferecidos por UC Berkely no EdX ). Essa imperfeição dos portões quânticos é uma das principais razões pelas quais precisamos de códigos de correção de erros .

Houve tentativas de implementar esses portões básicos. Estou adicionando alguns dos trabalhos de pesquisa recentes relacionados a essas tentativas:

• CNOT: Construção de porta NÃO controlada com base na porta de fase ativada por microondas (MAP) em dois sistemas de transmon e porta mesoscópica $\text{CNOT}^{\text{N}}$ baseada em átomos de Rydberg usando STIRAP

• Hadamard (H): Uma abordagem para realizar um portão quântico de Hadamard através da implementação óptica

• Flip de fase (Z): implementação em uma etapa de um portão de inversão de fase controlada multiqubit e realização de portão de inversão de fase controlado por quantum através de ponto quântico no guia de ondas de cristal fotônico de luz lenta de silício

• Bit Flip (X): Portão giratório de rotação quiral implementado no IBM Quantum Experience

• $\pi/8$

Como a Wikipedia menciona, outro conjunto de portões quânticos universais consiste no portão de Ising e no portão de mudança de fase. Esse é o conjunto de portas disponíveis nativamente em alguns computadores quânticos de íons presos ( demonstração de um pequeno computador quântico programável com qubits atômicos ).