¿Cómo se implementan las puertas cuánticas en la realidad?

Las puertas cuánticas parecen ser como cajas negras. Aunque sabemos qué tipo de operación realizarán, no sabemos si en realidad es posible implementarlo en la realidad (¿o sí?). En las computadoras clásicas, usamos AND, NOT, OR, XOR, NAND, NOR, etc., que se implementan principalmente utilizando dispositivos semiconductores como diodos y transistores. ¿Existen implementaciones experimentales similares de puertas cuánticas? ¿Hay alguna "puerta universal" en la computación cuántica (como la puerta NAND es universal en la computación clásica)?

Uno puede replicar cualquier puerta cuántica o al menos acercarse arbitrariamente utilizando un número suficiente de puertas de rotación CNOT, H, X, Z y $\pi/8$ . Esto se debe a que forman un conjunto universal de puertas cuánticas (consulte: M. Nielsen e I. Chuang, Computación cuántica e información cuántica, Cambridge University Press, 2016, página 189 ). Ten cuidado aquí. Claramente, no podemos implementar ninguna puerta cuántica arbitraria $U$ con precisión infinita. En cambio, dado $\epsilon>0$ , implementamos $U_{\epsilon}$ , que es $\epsilon$ cerca de $U$ (consulte:Mecánica cuántica y MOOC de computación cuántica ofrecidos por UC Berkely en EdX ). Esta imperfección de las puertas cuánticas es una de las principales razones por las que necesitamos códigos de corrección de errores .

Ha habido intentos de implementar esas puertas básicas. Estoy agregando algunos de los trabajos de investigación recientes relacionados con estos intentos:

• CNOT: Construcción de compuerta NO controlada basada en compuerta de fase activada por microondas (MAP) en dos sistemas transmon y compuerta CNOT N mesoscópica basada en átomos de Rydberg usando STIRAP$\text{CNOT}^{\text{N}}$

• Hadamard (H): un enfoque para realizar una puerta cuántica Hadamard a través de la implementación óptica

• Flip Fase (Z): aplicación de un solo paso de un multiqubit-fase controlada-flip puerta y darse cuenta de puerta fase-flip controlada cuántica a través de punto cuántico en silicio lento luz de guía de ondas de cristal fotónico

• Bit Flip (X): puerta giratoria Chiral Spin implementada en IBM Quantum Experience

• $\pi/8$

Como menciona Wikipedia, otro conjunto de puertas cuánticas universales consiste en la puerta Ising y la puerta de cambio de fase. Estos son el conjunto de puertas disponibles de forma nativa en algunas computadoras cuánticas de iones atrapados ( Demostración de una pequeña computadora cuántica programable con qubits atómicos ).