[論文レビュー] Gottesman-Kitaev-Preskill state preparation by photon catalysis

Miller Eaton, Rajveer Nehra+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、連続変数量子計算における光子キャタリシス（coherent stateと単一光子状態をビームスプリッタで干渉させ、光子数分解検出を実行する）を用いた、Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 状態を生成する理論的枠組みを提案する。これに光子数検出に基づく状態育成を組み合わせることで、圧縮されたシュレーディンガーの猫状態などの非ガウス状態を生成可能となり、最終的にはスケーラブルでフェイルセーフなGKP状態準備への道筋を切り開く。

ABSTRACT

Continuous-variable quantum-computing (CVQC) is the most scalable implementation of QC to date but requires non-Gaussian resources to allow exponential speedup and quantum correction, using error encoding such as Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states. However, GKP state generation is still an experimental challenge. We show theoretically that photon catalysis, the interference of coherent states with single-photon states followed by photon-number-resolved detection, is a powerful enabler for non-Gaussian quantum state engineering such as exactly displaced single-photon states and $M$-symmetric superpositions of squeezed vacuum (SSV), including squeezed cat states ($M=2$). By including photon-counting based state breeding, we demonstrate the potential to enlarge SSV states and produce GKP states.

研究の動機と目的

• 普遍的な連続変数量子計算に不可欠な非ガウス資源の生成という実験的課題に対処すること。
• 光子キャタリシスを用いて、正確にずらされた単一光子状態および圧縮真空状態のM対称重ね合わせを工学的に生成するメカニズムを検討すること。
• 光子数検出に基づく状態育成を用いて、SSV状態をGKP状態へスケーリングする可能性を示すこと。
• 決定論的で非ガウス的状態準備を介して、CVQCにおけるフェイルセーフな量子計算の理論的道筋を確立すること。

提案手法

• 光子キャタリシスは、コherent stateと単一光子フォック状態をビームスプリッタで干渉させ、その後に光子数分解検出を実行することで実装される。
• 測定結果により、非ガウス的重ね合わせ状態（ずらされた単一光子状態やM対称SSV状態を含む）への射影が行われる。
• 光子数検出の条件付き性を活用して、ガウス的入力から条件付きでエンタングルされた非ガウス状態を準備する。
• 状態育成は繰り返し適用され、SSV状態の拡大が行われ、非古典的性質が増大し、GKPに類似した重ね合わせの構築が可能になる。
• 理論的解析により、光子キャタリシスと状態育成の繰り返し適用が、GKP符号に近い状態の生成を可能にすることが示された。
• 本手法は線形光学、光子数分解検出器、コherent state入力を前提としており、現在の光子デバイスと互換性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガウス的入力から、光子キャタリシスを用いて正確にずらされた単一光子状態を生成できるか？
• RQ2 M対称圧縮真空状態（M=2の場合は圧縮されたネズミの猫状態を含む）が、光子キャタリシスによって決定論的に準備可能か？
• RQ3 光子数検出に基づく状態育成を光子キャタリシスと組み合わせることで、非ガウス状態をGKP状態へスケーリングできるか？
• RQ4 線形光学と光子数分解検出のみを用いてGKP状態を生成する理論的妥当性は何か？
• RQ5 この枠組みは、連続変数量子計算におけるフェイルセーフな量子計算を可能にするか？

主な発見

• 光子キャタリシスにより、コherent状態と単一光子状態の干渉に続く光子数分解検出を介して、正確にずらされた単一光子状態の決定論的準備が可能である。
• 本手法により、M対称圧縮真空状態（M=2の場合は圧縮ネズミの猫状態を含む）が、ターゲットの非ガウス的重ね合わせ状態と高い忠実度で生成される。
• 光子数検出に基づく反復的状態育成により、SSV状態の拡大が可能となり、非古典的性質が増大し、GKP状態準備への進行が可能になる。
• 理論的解析により、光子キャタリシスと状態育成の組み合わせが、GKP符号に近い状態の生成を可能にすることが確認された。これは、フェイルセーフな量子計算に不可欠な要件である。
• 提案された枠組みは、線形光学と現在の光子検出技術の制約内にあり、非ガウス的リソース状態へのスケーラブルな道筋を提供する。