[論文レビュー] Distributed quantum computing with photons and atomic memories

Eun Young Oh, Xuanying Lai+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、光子qubitと原子集合量子メモリを組み合わせることで、Rydbergブロッキングを用いてユニバーサルな2量子ビットゲートを実現するスケーラブルで分散型の量子計算アーキテクチャを提案する。光子qubitを集団的原子状態に変換することで、高精度かつスケーラブルな決定的光子非線形相互作用を達成し、超伝導または捕獲イオンプラットフォームに対する耐障害性・ネットワーク接続型量子計算の強力な代替手段を提供する。

ABSTRACT

The promise of universal quantum computing requires scalable single- and inter-qubit control interactions. Currently, three of the leading candidate platforms for quantum computing are based on superconducting circuits, trapped ions, and neutral atom arrays. However, these systems have strong interaction with environmental and control noises that introduce decoherence of qubit states and gate operations. Alternatively, photons are well decoupled from the environment, and have advantages of speed and timing for distributed quantum computing. Photonic systems have already demonstrated capability for solving specific intractable problems like Boson sampling, but face challenges for practically scalable universal quantum computing solutions because it is extremely difficult for a single photon to "talk" to another deterministically. Here, we propose a universal distributed quantum computing scheme based on photons and atomic-ensemble-based quantum memories. Taking the established photonic advantages, we mediate two-qubit nonlinear interaction by converting photonic qubits into quantum memory states and employing Rydberg blockade for controlled gate operation. We further demonstrate spatial and temporal scalability of this scheme. Our results show photon-atom network hybrid approach can be an alternative solution to universal quantum computing.

研究の動機と目的

• 強い単一光子非線形性が不足するため、光子量子計算における決定的2量子ビットもつれの課題に対処すること。
• 光子の長いコherencesと低デコherence特性と、原子集合の制御可能非線形相互作用を活用して、スケーラブルでユニバーサルな量子計算を実現すること。
• 飛行光子qubitが効率的な量子メモリ変換を通じて局所的な原子量子メモリとインターフェースをとる分散型アーキテクチャを開発すること。
• 原子集合におけるRydbergブロッキングを非線形資源として用いて、スケーラブルで高精度な2量子ビット制御位相ゲートを実現すること。
• タイムライン量子計算とマルチノードネットワークアーキテクチャを通じて、本スキームの空間的および時間的スケーラビリティを実証すること。

提案手法

• 光子qubitは単一光子の偏光状態|H⟩と|V⟩に符号化され、ウェーブプレートやビームスプリッタなどの線形光学素子によって操作される。
• 光子qubitは、電磁誘導透過（EIT）を介してレーザー冷却原子集合体における集団的原子スーパーポジションに変換され、保存および処理が可能になる。
• 2量子ビット制御位相（CP）ゲートは、2つの原子集合体間のRydbergブロッキングを用いて実装され、Rydberg励起状態にある原子がブロッキング半径内に他の原子の励起を防ぐ。
• 本スキームは2つの構成を用いる：1つは制御モードとターゲットモードに分離された2つの独立原子集合体を用いるもの、もう1つは1つの共有集合体と重複する光子モードを用いる高効率化を目的としたもの。
• 冷たい原子集合体におけるEITベースの基底状態量子メモリを用いて、量子メモリ効率（η > 85%）と高精度な状態転送（精度 > 99%）を達成した。
• 偏光操作ユニット（PMU）によるリサイクル読み出し光子の利用により、タイムライン量子計算が可能となり、同じ量子メモリを繰り返し使用することで計算深さを拡張できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形光学の確率的依存を避け、光子量子計算において決定的2量子ビットもつれを達成できるか？
• RQ2 原子集合体におけるRydbergブロッキングが、単一光子レベルの光子qubit間で有効な非線形相互作用を媒介できるか？
• RQ3 光子-原子ハイブリッドアーキテクチャが、高精度および時間的効率性を備えたスケーラブルでユニバーサルな量子計算を実現できるか？
• RQ4 制御位相ゲートの精度と効率が、量子ビット数およびメモリ効率にどのように依存するか？
• RQ5 本アーキテクチャは、量子メモリのリサイクルを通じて分散量子計算およびタイムライン量子計算をサポートできるか？

主な発見

• メモリ効率η = 0.9の場合、N = 100量子ビットに対しても制御位相ゲートの精度が0.47以上に達し、デコherenceに対して高い耐性を示す。
• 生成効率はNの増加に伴い急激に低下し、スケーラビリティとリソースオーバーヘッドのトレードオフが顕在化する。
• EITベースの原子集合体量子メモリは、単一光子偏光qubitの保存および回収において85%以上の効率と99%以上の精度を達成した。
• Rydbergブロッキングの利用により、決定的光子非線形相互作用が実現され、単一光子レベルにおける弱い光学非線形性の根本的制限を克服した。
• 本アーキテクチャは空間的および時間的スケーラビリティを備えており、量子メモリリサイクルを通じて分散量子計算およびタイムライン量子計算を可能にする。
• 本スキームは、既存の光子線形光学および中性原子非線形性と互換性があり、ユニバーサル量子計算のためのモジュラーかつネットワーク対応プラットフォームを形成する。