[論文レビュー] Efficient Linear Optics Quantum Computation

Emanuel Knill, Raymond Laflamme+1 more|ArXiv.org|Jun 20, 2000

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、単一光子源、受動的線形光学素子、および光子検出器に加え古典的フィードフォワード制御を用いることで、普遍的量子計算が可能であることを示す線形光量子計算（LOQC）を提案している。主な貢献は、測定誘発フィードバックにより非決定的量子ゲートを信頼性の高いものにできると証明したことであり、状態準備に弱いスクリーチングのみを必要とすることで、スケーラブルな量子計算を実現可能としている。

ABSTRACT

We investigate the computational power of passive and active linear optical elements and photo-detectors. We show that single photon sources, passive linear optics and photo-detectors are sufficient for implementing reliable quantum algorithms. Feedback from the detectors to the optical elements is required for this implementation. Without feedback, non-deterministic quantum computation is possible. A single photon source sufficient for quantum computation can be built with an active linear optical element (squeezer) and a photo-detector. The overheads associated with using only linear optics appear to be sufficiently low to make quantum computation based on our proposal a viable alternative.

研究の動機と目的

• 受動的線形光学、光子検出器、および単一光子源のみを用いて普遍的量子計算が達成可能かどうかを検証すること。
• フィードバックおよび測定が非決定的光ゲートから決定的量子計算を可能にする役割を調査すること。
• 強い光学非線形性を必要としない線形光学素子と光検出に基づく量子計算の実現可能性およびスケーラビリティを評価すること。
• 測定と古典的フィードフォワードを組み合わせることで、弱いスクリーチングと非決定的光源が普遍的量子計算に十分であることを確立すること。

提案手法

• 論文は、2つの光学モードにおける単一光子状態を用いてキュービットをモデル化し、|0⟩をモード1に1つの光子、|1⟩をモード2に1つの光子として符号化する。
• 位相シフト器とビームスプリッタからなる受動的線形光学素子を、生成演算子へのユニタリ変換として実装し、これらのコンポONENTの系列によって全操作を実現可能とする。
• 光子検出器からの測定結果を古典的に処理し、その後続操作を条件付きに適用することで、フィードバック制御された量子ゲートを実現する。
• 非決定的制御位相ゲートは、制御位相シフトを有する二重経路干渉計を用いて実装され、4光子同時計数検出によって成功がハーディングされる。
• この手法は、線形光学によって生成される連続パウリ群の正規化子に依存し、真空状態と光検出が普遍性に必要な非安定化資源を提供する。
• 論理キュービットの符号化に量子誤り訂正符号を用いることでスケーラビリティを達成し、リソースの過剰消費を低減し、フェイルセーフな動作を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的線形光学、単一光子源、および光子検出器のみを用いて普遍的量子計算を達成可能か？
• RQ2 古典的フィードフォワードが非決定的光ゲートを信頼性のある決定的量子操作に変換する役割は何か？
• RQ3 普遍的量子計算を可能にする単一光子源を生成するために、どの程度のスクリーチングが必要か？
• RQ4 量子誤り訂正符号は、線形光量子計算のリソース過剰消費を低減し、スケーラビリティを向上させられるか？
• RQ5 線形光学系において普遍的量子ゲート集合を実装するために必要な最小限の物理的リソースは何か？

主な発見

• 単一光子源、受動的線形光学、および古典的フィードフォワード制御付き光子検出器のみを用いて普遍的量子計算が可能である。
• 測定に基づくフィードバックにより非決定的量子ゲートを信頼性の高いものにできるため、確率的ゲート操作であっても決定的計算が可能となる。
• 弱いスクリーチングのみが要求され、かつそれはゲート操作ではなく単一光子状態準備にのみ必要とされる。
• 量子誤り符号の使用により、線形光量子計算に伴うリソース過剰消費が顕著に低減され、スケーラビリティが向上する。
• 提案された方式により、光子キュービットにおけるニアデターミニスティック量子トランスポートおよびパリティ測定が可能となり、量子通信分野への即時応用が見込まれる。
• LOQCの理論的過剰消費は十分に低いため、現在の実験的制限を考慮しても、他の量子計算の提案と同等の代替手段として有効である。