[論文レビュー] Generation of optical Gottesman-Kitaev-Preskil states with cavity QED

Jacob Hastrup, Ulrik L. Andersen|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1つの非ガウス資源を用いて、故障耐性のある連続変数量子計算を可能にする、決定論的でキャビティQEDに基づく光学領域における高精度なゴーテスマン＝キタエフ＝プレスキル（GKP）状態を生成する手法を提案する。シミュレーションにより、近い将来の実験において、現実的なノイズおよび有限コープアリティ条件下でも、10 dBを超える圧縮を達成可能なGKP状態が得られることを示している。

ABSTRACT

Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states are a central resource for fault-tolerant optical continuous-variable quantum computing and communication. However, their realization in the optical domain remains to be demonstrated. Here we propose a method for preparing GKP states using a cavity QED system as the only non-Gaussian element. This system can be realized in several platforms such as trapped atoms, quantum dots or diamond color centers. We simulate the protocol with finite-cooperativity systems to evaluate the achievable quality of the produced GKP states in realistic noisy systems. We further combine the protocol with the previously proposed breeding protocol by Vasconcelos et al. to relax the demands on the quality of the QED system. We find that GKP states with more than 10 dB squeezing could be achieved in near-future experiments. Additionally, the approach can be made fully deterministic, thus providing a more scalable and hardware-efficient approach compared to probabilistic approaches based on photon counting.

研究の動機と目的

• 故障耐性のある連続変数量子計算に不可欠な光学領域におけるGKP状態の実験的実現という長年の課題に取り組む。
• 従来のアプローチで一般的に用いられる確率的光子数検出技術に依存しない、スケーラブルでハードウェア効率の良い手法を開発する。
• GKP状態が、非ガウス資源としてのキャビティQEDシステムのみを用いても高品質に生成可能であることを示す。
• 有限コープアリティおよび実験的不具合を含む現実的なノイズ条件下でのプロトコルの性能を評価する。
• Vasconcelosらが提唱したブリーディングプロトコルと組み合わせることで、QEDシステムの品質要件を緩和する。

提案手法

• 捕獲された原子、量子ドット、ダイヤモンドの色中心など、実現可能なキャビティQEDシステムを、GKP状態を準備する唯一の非ガウス性の源として用いる。
• 光子数検出による事後選別を回避する決定論的プロトコルを採用することで、スケーラビリティとリソース効率を向上させる。
• 近い将来の実験プラットフォームにおける現実的なノイズやデコherence効果をモデル化するため、有限コープアリティ系でのプロトコルのシミュレーションを実施する。
• 提案されたプロトコルを、事前に開発されたブリーディングプロトコルと統合し、低品質な初期リソースから高品質なGKP状態を蒸留する。
• キャビティとキュービット間の量子フィードバックおよび制御された相互作用を活用して、GKP状態の特徴であるコherent状態の重ね合わせを設計的に実現する。
• 生成されたGKP状態の圧縮度と論理エラー率を分析し、その品質および故障耐性の潜在能力を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 確率的光子数検出に依存せずに、キャビティQEDに基づく決定論的プロトコルが、光学領域で高精度なGKP状態を生成できるか？
• RQ2 現実的で有限コープアリティのキャビティQED系に、実験的ノイズを含めた場合、どの程度の圧縮度と忠実度が達成可能か？
• RQ3 本プロトコルをブリーディングプロトコルと組み合わせることで、QEDシステムの品質要件がどの程度緩和されるか？
• RQ4 既存の確率的アプローチと比較して、本プロトコルはどの程度スケーラブルかつハードウェア効率的か？
• RQ5 この手法を用いた場合、近い将来の実験プラットフォームにおけるGKP状態生成の実用的限界はどこか？

主な発見

• 提案されたプロトコルにより、確率的代替手法と比較して大幅にリソース効率が向上した、光学的GKP状態の決定的生成が可能になる。
• シミュレーションにより、現実的で有限コープアリティの系において、10 dBを超える圧縮を伴うGKP状態が達成可能であることが示された。
• 現実的なノイズやデコherenceに対してもプロトコルが頑健であることが確認され、近い将来の実験的実装の可能性が裏付けられた。
• ブリーディングプロトコルと統合することで、QEDシステムの品質要件が緩和され、現在の技術でより容易に実現可能になる。
• 本手法は、1つの非ガウス資源のみを用いることで、故障耐性のある連続変数量子計算へのスケーラブルでハードウェア効率の良い道筋を提供する。
• 結果から、故障耐性の量子情報処理に適した高精度なGKP状態が、現在のまたは近い将来のキャビティQEDプラットフォームで実現可能である可能性が示された。