[論文レビュー] Distributed Quantum Computing in Silicon

Inc, Photonic, :+70 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 12

ひとこと要約

論文は、テレコムファイバー上で分離したモジュール間のシリコン T-centre キュービット間のリモートエンタングルメント分配とテレポートされた CNOT ゲートを実証し、Phase 3 quantum networking in silicon のスケーラブル性へ向けた性能予測を概説します。

ABSTRACT

Commercially impactful quantum algorithms such as quantum chemistry and Shor's algorithm require a number of qubits and gates far beyond the capacity of any existing quantum processor. Distributed architectures, which scale horizontally by networking modules, provide a route to commercial utility and will eventually surpass the capability of any single quantum computing module. Such processors consume remote entanglement distributed between modules to realize distributed quantum logic. Networked quantum computers will therefore require the capability to rapidly distribute high fidelity entanglement between modules. Here we present preliminary demonstrations of some key distributed quantum computing protocols on silicon T centres in isotopically-enriched silicon. We demonstrate the distribution of entanglement between modules and consume it to apply a teleported gate sequence, establishing a proof-of-concept for T centres as a distributed quantum computing and networking platform.

研究の動機と目的

• 単一モジュールデバイスを超える、スケーラブルでネットワーク化された量子計算アーキテクチャを動機づける。
• テレコム帯の光子を用いて遠隔の silicon T-centre キュービット間のエンタングルメント分布を実証する。
• 分散エンタングルメントを用いたテレポートゲート列（tCNOT）を実証する。
• 同位体濃縮シリコン中のキャビティ強化 T-centre キュービットのスピンおよび光学的性能を特徴づける。
• フォールトトレラントな分散計算へ向けたエンタングルメント分布の性能予測を提供する。

提案手法

• 20 mの光ファイバーで接続された別々のクライオスタット内の埋め込みT-centreを持つシリコンフォトニックチャップを使用し、50:50ビームスプリッターへ接続する。
• Barrett-Kokエンタングルメントプロトコルを用いて、二光子干渉（Hong-Ou-Mandel に類似したプロトコル）を介して分散スピンエンタングルメントを前兆として検出する。
• 電子スピンおよび水素核スピンに対して、MW/RFおよび光学サイクルを用いて初期化、読み出し、ゲート操作を行う。
• PLEスペクトル、Purcell強化寿命、および g2(0) を測定して単一光子発光とスピン初期化忠実度を検証する。
• 予備実験では、分配ベル対と局所操作を用いたポストセレクションにより、テレported CNOT (tCNOT) シーケンスを実証し、リモートゲート実行の概念を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン T-centres は、テレコムファイバー上で空間的に分離されたモジュール間に高忠実度の分散エンタングルメントを生成できるか？
• RQ2 エンタングルされた T-centre キュービットを分散量子計算プラットフォームとして用いて、リモートゲート操作（テレポートゲート）を実行することは実現可能か？
• RQ3 現在の技術を前提としたエンタングルメント分布とリモート操作の実現可能なレートと忠実度はどの程度で、フォールトトレラントな分散計算へ向けてどのように予測できるか？
• RQ4 Phase 3 Quantum において、T-centre のスピンコヒーレンス時間と光学特性は、スケーラブルなネットワーク型量子処理をどのように支援するか？

主な発見

• 2つのリモート T-centre キュービットは、BKプロトコルを用いて約40 mのファイバー上に分布したヘラルドされたスピン-スピンエンタングルメントを示す。
• 二光子干渉は測定可能な HOM ビジビリティを生み出し、分布ベル対の生成を可能とし、忠実度は upper-bounded by (1+V)/2 となる。
• Barrett-Kokエンタングルメントの実証は、40 nsのタイムビンウィンドウで Bell-ペア忠実度0.60(0.08)を達成。
• モジュール間でポストセレクション方式でテレported CNOT (tCNOT) シーケンスを実証し、リモートゲート実行の概念を検証。
• T-centres の電子スピンおよび水素核スピンは長いコヒーレンス時間を示す。electron T2* ≈ 22.8 μs, T2 ≈ 270 μs; nuclear T2* ≈ 8.6 ms, T2 ≈ 220 ms。
• 統計は、低レートで最大0.999、または改善された統合と材料特性で約200 kHzで0.998までのエンタングルメント忠実度を予測。