[論文レビュー] Deterministic multi-mode gates on a scalable photonic quantum computing platform

Mikkel V. Larsen, Xueshi Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 66被引用数 131

ひとこと要約

本論文は、連続変数光的クラスター状態を用いた、初めての決定的でプログラマブルなマルチモード量子計算プラットフォームを示している。時間に符号化された2次元クラスター状態に対して位相プログラミングされた quadrature 測定を適用することにより、ゲートトランスポートーションを介して普遍的なガウスゲートの集合を実装し、通信波長帯（1550 nm）での互換性とスケーラビリティを備えた故障耐性量子計算の可能性を達成した。

ABSTRACT

Quantum computing can be realized with numerous different hardware platforms and computational protocols. A highly promising approach to foster scalability is to apply a photonic platform combined with a measurement-induced quantum information processing protocol where gate operations are realized through optical measurements on a multipartite entangled quantum state -- a so-called cluster state. Heretofore, a few quantum gates on non-universal or non-scalable cluster states have been, but a full set of gates for universal scalable quantum computing has not been realized. We propose and demonstrate the deterministic implementation of a multi-mode set of measurement-induced quantum gates in a large two-dimensional (2D) optical cluster state using phase-controlled continuous variable quadrature measurements. Each gate is simply programmed into the phases of the high-efficiency quadrature measurements which execute the transformations by teleportation through the cluster state. Using these programmable gates, we demonstrate a small quantum circuit consisting of 10 single-mode gates and 2 two-mode gates on a three-mode input state. On this platform, fault-tolerant universal quantum computing is possible if the cluster state entanglement is improved and a supply of Gottesman-Kitaev-Preskill qubits is available. Moreover, it operates at the telecom wavelength and is therefore network connectable without quantum transducers.

研究の動機と目的

• 連続変数測定ベース量子計算（MBQC）に基づく、スケーラブルで決定的かつ完全にプログラマブルな光的量子計算プラットフォームの開発。
• 測定誘発ゲートトランスポートーションを用いて、ガウス操作のみとゴットスマン＝キタエフ＝プレスキル（GKP）量子ビットを用いて普遍的量子計算を実現すること。
• クラスター状態のエンタングルメントを向上させ、GKP符号化量子ビットを統合することで、故障耐性量子計算を達成すること。
• 量子コンバータを必要とせず、通信波長帯（1550 nm）で動作させることでネットワーク接続性を実現すること。
• 量子回路が位相設定にコンパイルされ、高効率な同調測定が可能になる、ハードウェア・ソフトウェアインターフェースの確立。

提案手法

• プラットフォームは、Nτ遅延ラインを用いて1次元クラスター状態を2次元シリンダ形構造に折りたたむ。空間モードAとBは時間モードkに配置される。
• 1550 nmで発振する2つの光パラメトリックオシレーター（OPO）からのスケーリング光が、非対称干渉計を介した干渉によってクラスター状態を生成する。
• 量子ゲートは、ビームスプリッタと制御可能な局所発振器位相を持つ可変同調測定器を用いて、クラスター状態モードにおける射影的 quadrature 測定によって実装される。
• ゲート操作は、 quadrature 測定の測定基底（位相）を調整することで完全にプログラミング可能であり、クラスター状態を介したゲートトランスポートーションを可能にする。
• 計算方式はクラスター状態シリンダに沿った時間的測定順序を用い、情報の流れと一致させ、光メモリの必要性を排除する。
• GKP符号化を活用することで、ガウス操作のみと誤り訂正を用いて故障耐性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続変数クラスター状態を用いて、スケーラブルで決定的かつ完全にプログラマブルな光的量子計算プラットフォームを実現可能か？
• RQ2 測定ベース量子計算を用いて、ガウス操作のみとGKP符号化量子ビットを用いて普遍的量子計算を達成可能か？
• RQ3 実際の実験的設定において、クラスター状態のスケーリング、測定効率、位相安定性と関連して、ゲートノイズはどのようにスケーリングするか？
• RQ4 ポンプ出力、光効率、スケーリング帯域幅を最適化することで、ゲート忠実度はどの程度向上可能か？
• RQ5 このプラットフォームは通信波長帯で動作させることで、将来の光的ネットワーク統合を可能にするか？

主な発見

• 著者らは、3モード入力状態に対して10個の単一モードゲートと2個の2モードゲートを実装した2次元クラスター状態上での完全に決定的でプログラマブルなマルチモード量子回路を実証した。
• 測定された単一モードゲートノイズは1.6 dB（1.4V₀）であり、初期の運動量スケーリング4.4 dBに基づく理論的予測と整合的である。
• ポンプ出力を増加させると測定効率が向上し、ノイズが減少するが、現在のセットアップにおける損失と位相ゆらぎのため、飽和する。
• 理論的解析により、90％以上の効率と広帯域スケーリング（例：100 MHz 対 7.7 MHz）を実現すれば、さらにノイズを低減可能であることが示された。
• プラットフォームは1550 nmで動作し、量子コンバータを必要とせず、直接ネットワーク接続が可能である。
• クラスター状態のエンタングルメントが向上し、GKP量子ビットが供給されれば、故障耐性のある連続変数MBQCモデルに従い、普遍的量子計算の可能性を達成する。