[論文レビュー] Multi-qubit time-bin quantum RAM

E. S. Moiseev, S. A. Moiseev|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Quantum optics and atomic interactions被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、制御用三準位原子を備えた2つの結合QEDキャビティにおけるインピーダンス整合型光エコー量子メモリを用いて、時間-binアドレッシングによる効率的で可逆的な1光子の記録・再生を実現するコンactなマルチキュービット量子ランダムアクセスメモリ（qRAM）を提案する。最大効率は、光子分子のコープスティビティが1に等しい場合に達成され、これは現在の光学およびマイクロ波技術で実現可能である。

ABSTRACT

We have proposed a scheme of multi-qubit extit{quantum random access memory} (qRAM) based on the impedance matched photon echo quantum memory incorporated together with the control three-level atom in two coupled QED cavities. A set of matching conditions for basic physical parameters of the qRAM scheme that provides an efficient quantum control of the fast single photon storage and read-out has been found. In particular, it was found that the qRAM operation is determined by the properties of the photonic molecular realized in the qRAM dynamics. Herein, the maximal efficiency of the qRAM is achieved when the cooperativety parameter of the photonic molecular equals to unity that can be easily experimentally implemented. The quantum address of the stored photonic qubits can be put into practice when the address is encoded in photonic multi-time-bin state. We discuss the advantages of the qRAM in terms of working with multi-qubit states and the implementation by current quantum technologies in the optical and microwave domains.

研究の動機と目的

• 普遍的な量子計算および通信を目的としたスケーラブルでコンパクトなqRAMアーキテクチャの設計。
• バケツ・ブリッジqRAMアーキテクチャの制限を克服し、マルチキュービット記憶が可能な1デバイス実装を実現すること。
• インピーダンス整合型光エコー量子メモリを用いて、高効率かつ可逆的な光子記録・再生を達成すること。
• 制御原子の重ね合わせ状態におけるマルチ時間-bin符号化を用いて、光子キュービットの量子アドレッシングを可能にすること。
• 現在の量子技術を用いて、光学的およびマイクロ波領域で実装可能な実験的に実現可能な物理的パラメータを同定すること。

提案手法

• 入射光子のスイッチングを量子トランジスタ的動作として実現するため、1つの三準位原子を制御素子として用いた2つの結合QEDキャビティを採用する。
• 不均一な幅の広がりを有する原子系に起因する光エコー量子メモリを用いて、マルチモード・マルチキュービット記憶を実現する。
• インピーダンス整合条件（C_QT = 1および式(7)、(8)）を適用し、広帯域かつ高効率な光子記録・再生を保証する。
• 制御原子と原子系の組み合わせによって形成される光子分子を量子制御素子として用い、ユニティ・コープスティビティで最適な性能を達成する。
• 制御原子を共鳴（透過）状態と非共鳴（遮断）状態の重ね合わせ状態に準備することで、量子アドレスを時間-bin符号化する。
• ユニタリーな時間発展に依存して、入射光子状態と記録済みマルチキュービット状態をコherentlyにエンタングルさせ、重ね合わせ状態によるアクセスを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の量子ハードウェアを用いて、1つのコンパクトなデバイスでマルチキュービットqRAMを実装する方法は何か？
• RQ2 時間-binアドレッシングされたqRAMにおいて、光子の記録・再生効率を最大化する物理的条件は何か？
• RQ3 QEDキャビティ内の制御原子は、単一光子の輸送を可逆的にスイッチングする機能を果たせるか？
• RQ4 マルチ時間-bin符号化を用いて、光子キュービットの量子アドレッシングをどのように実現できるか？
• RQ5 光学的またはマイクロ波領域で、このようなqRAMを実現可能な実験的パラメータは何か？

主な発見

• qRAMの最大効率は、光子分子のコープスティビティパラメータが1に等しい場合に達成され、これは実験的に実現可能である。
• インピーダンス整合条件（C_QT = 1および式(7)、(8)）により、広帯域かつ高効率な光子記録・再生が広いスペクトル窓にわたり保証される。
• qRAMの動作は純粋なユニタリー時間発展に基づいており、M個の2光子状態の重ね合わせを生成することで、コherentなマルチキュービットアクセスを可能にする。
• この方式は、環境の自由度とエンタングルされた状態を含む、任意の初期量子状態のメモリをサポートする。
• 光-原子相互作用の時間反転対称性により、可逆的な量子アドレッシングが可能となり、コherentに記録と再生の両方が実現される。
• 提案されたアーキテクチャは、超伝導キュービットやNVセンター、量子ドットなどの固体状エミッタを含む、既存の回路およびキャビティQEDプラットフォームと互換性がある。