[論文レビュー] Deterministic Generation of Multidimensional Photonic Cluster States with a Single Quantum Emitter

Vinicius S. Ferreira, Gihwan Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Quantum optics and atomic interactions被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、マイクロ波回路内に1つの超伝導トランスモンキュービットを量子発光源として用いることで、2次元光子クラスタ状態を決定的かつリソース効率よく生成する手法を提示する。スローライト波ガイドと切り替え可能なミラー量子ビットを用いた時間遅延フィードバックにより、4光子量子ビットのクラスタ状態を70%の保証精度で決定的に発生させ、測定基盤量子計算に適したスケーラブルでオンチップの量子リソース状態生成を実現した。

ABSTRACT

Multidimensional photonic graph states, such as cluster states, have prospective applications in quantum metrology, secure quantum communication, and measurement-based quantum computation. However, to date, generation of multidimensional cluster states of photonic qubits has relied on probabilistic methods that limit the scalability of typical generation schemes in optical systems. Here we present an experimental implementation in the microwave domain of a resource-efficient scheme for the deterministic generation of 2D photonic cluster states. By utilizing a coupled resonator array as a slow-light waveguide, a single flux-tunable transmon qubit as a quantum emitter, and a second auxiliary transmon as a switchable mirror, we achieve rapid, shaped emission of entangled photon wavepackets, and selective time-delayed feedback of photon wavepackets to the emitter qubit. We leverage these capabilities to generate a 2D cluster state of four photons with 70\% fidelity, as verified by tomographic reconstruction of the quantum state. We discuss how our scheme could be straightforwardly extended to the generation of even larger cluster states, of even higher dimension, thereby expanding the scope and practical utility of such states for quantum information processing tasks.

研究の動機と目的

• 光学系における確率的光子クラスタ状態生成のスケーラビリティ制限を克服すること。
• 唯一の量子発光源を用いて多次元光子クラスタ状態を決定的に生成する手法を開発すること。
• スローライト波ガイドと切り替え可能なミラーを用いた時間遅延フィードバック機構を実装し、もつれ工学を実現すること。
• 測定基盤量子計算に適した高精度の2次元クラスタ状態生成を実証すること。
• 既存のハードウェア改善を活用した、より大きな次元やより大きなクラスタ状態へのスケーリングの道筋を同定すること。

提案手法

• 30ナノ秒の短い波パケットを有する形状化されたマイクロ波光子を発生させるため、フラックス調整可能なトランスモンキュービットを決定的量子発光源として用いる。
• 時間遅延を制御可能に導入するため、結合共振器アレイをスローライト波ガイド（SLWG）として用いる。
• 時間遅延フィードバックを制御的に再発生させるために、2番目のフラックス調整可能なトランスモンキュービットを切り替え可能なミラーとして用いる。
• 時間遅延フィードバックを応用し、非近接ノード間のもつれを工学的に設計することで、逐次的光子放出から2次元クラスタ状態を構築する。
• フィードバック機構の特性評価に量子プロセストモグラフィーを、生成されたクラスタ状態の再構築と検証に量子状態トモグラフィーを用いる。
• 回路QEDにおける強いキュービット-光子結合を活用し、高精度のもつれとゲート操作を実現する。CZゲートの精度はシミュレーションで97%と推定されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導回路内の1つの量子発光源が、多次元光子クラスタ状態を決定的に生成できるか？
• RQ2 スローライト波ガイドと切り替え可能なミラーによる時間遅延フィードバックをどのように活用し、2次元クラスタ状態の非近接ノードもつれを工学的に設計できるか？
• RQ3 この決定的フィードバック方式によって生成された2次元クラスタ状態の達成可能な精度はどの程度か？
• RQ4 3次元クラスタ状態やより大きな2次元状態へのスケーリングに必要なハードウェアおよびプロセス改善は何か？
• RQ5 この手法は、測定基盤量子計算におけるフォールトトレランスロジカルエラー抑制を達成できるか？

主な発見

• 著者らは、量子状態トモグラフィーにより検証された4マイクロ波光子の2次元クラスタ状態を実験的に生成し、精度70%を達成した。
• 時間遅延フィードバック機構は量子プロセストモグラフィーにより特性評価され、発光光子と発光源キュービットとの間のコherentな相互作用が確認された。
• もつれプロトコルの主要構成要素であるCZゲートの精度は、シミュレーションで97%と推定されたが、実験での90%の値は主にSPAM誤差に起因する。
• 本手法はスケーラブルである：スローライト波ガイドのユニットセル数を増やすか、ユニットセルサイズを小さくすることで、クラスタ状態サイズを10倍に拡大可能である。
• 音響遅延ラインを組み込むことで、往復遅延をさらに延長でき、パッケージングに起因する損失への感受性を低減できる。
• 遅延ラインの中間点に2番目のミラー量子ビットを追加することで、2つの異なるフィードバック遅延を実現でき、3次元クラスタ状態への拡張が可能である。