[論文レビュー] A manufacturable platform for photonic quantum computing

Koen Alexander, Andrea Bahgat+93 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2024

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、300 mm のファウンドリプロセスと統合ヘラルド光子源、SNSPD、および高度な部品を用いて、光子量子ビットを生成・操作・ネットワーク化・検出できる製造可能なシリコンフォトニクスベースのプラットフォームを示し、高忠実度の単一量子ビットおよび二量子ビット演算とチップ間インターコネクトを達成します。

ABSTRACT

Whilst holding great promise for low noise, ease of operation and networking, useful photonic quantum computing has been precluded by the need for beyond-state-of-the-art components, manufactured by the millions. Here we introduce a manufacturable platform for quantum computing with photons. We benchmark a set of monolithically-integrated silicon photonics-based modules to generate, manipulate, network, and detect photonic qubits, demonstrating dual-rail photonic qubits with $99.98\% \pm 0.01\%$ state preparation and measurement fidelity, Hong-Ou-Mandel quantum interference between independent photon sources with $99.50\%\pm0.25\%$ visibility, two-qubit fusion with $99.22\%\pm0.12\%$ fidelity, and a chip-to-chip qubit interconnect with $99.72\%\pm0.04\%$ fidelity, not accounting for loss. In addition, we preview a selection of next generation technologies, demonstrating low-loss silicon nitride waveguides and components, fabrication-tolerant photon sources, high-efficiency photon-number-resolving detectors, low-loss chip-to-fiber coupling, and barium titanate electro-optic phase shifters.

研究の動機と目的

• フォールトトレラントな光子量子計算の必要性とスケーラブルな製造の動機づけ。
• 集積光子量子ビットの産業的製造技術スタックを説明。
• ソース、検出器、干渉計、インターコネクトを含む集積ビルディングブロックをベンチマーク。
• SPAM、HOM 干渉、フュージョン、チップ間インターコネクトの主要な性能指標を実証。
• スケーラブルな FBQC の性能ギャップを埋める次世代技術の概説。

提案手法

• 商業用の 300 mm シリコンフォトニクスフローを用いてソース、導波路、検出器、インターコネクトをチップ上に統合する。
• 干渉作動結合共振器における自発四波混成を用いて、スペクトル純度の高いヘラルド化単一光子を生成する。
• チップ上に NbN SNSPD を統合して高効率の光子検出を実現する。
• 再構成可能な量子回路のための干渉計、フィルタ、熱位相シフタを構築する。 0
• チップ間インターコネクトとオンチップ二光子干渉を実証して忠実度と可視性をベンチマークする。
• カスケード共振器光源、波guide統合 PNRD、低損失 SiN、エッジファイバ結合、BaTiO3 エレクトロニック位相シフタといった次世代デバイスを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業用のシリコンフォトニクス製造フローは、オンチップで光子量子ビットの生成・操作・検出をサポートできるか。
• RQ2 製造可能なプラットフォームで、単一量子ビットの状態準備/測定、チップ間ネットワーキング、二光子干渉、および二量子ビットフュージョンの達成可能な忠実度はどれくらいか。
• RQ3 現在の技術スタックで集積光子部品はフォールトトレラント量子計算の要件にどれだけ近づけるか。
• RQ4 FBQC の損失・速度・スケーラビリティに対処する次世代技術はどれくらい実現性があるか。
• RQ5 完全に統合されたベンチマーク回路設定で、統合ヘラルド光源と検出器はどのように性能を発揮するか。

主な発見

指標	実験値（％）
単一量子ビット SPAM 応答忠実度	99.98±0.01
チップ間忠実度	99.72±0.04
二光子干渉可視性	99.50±0.25
ベル融合忠実度	99.22±0.12

• 単一量子ビット SPAM 応答忠実度: 99.98% ± 0.01%.
• チップ間忠実度: 99.72% ± 0.04%.
• 独立したソース間の Hong-Ou-Mandel 干渉可視性: 99.50% ± 0.25%.
• 二量子ビットベルフュージョン忠実度: 99.22% ± 0.12%.
• 完全統合されたヘラルド単一光子源の実証（オンチップソース、フィルタ、ヘラルディング検出器）。
• 次世代技術として、特定の仮定の下で最大 99.7% の純度を達成するカスケード共振器ソース、光路統合 PNRD の高光子数分解、低損失 SiN 波guide、BaTiO3 エレクトロオプティック位相シフタを含むものを提示。