[論文レビュー] One-hundred step measurement-based quantum computation multiplexed in the time domain with 25 MHz clock frequency

Warit Asavanant, Baramee Charoensombutamon+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 48被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、25 MHzクロック周波数を用いた時間多重連続変数クラスタ状態を用いて、100ステップの測定ベース量子計算を実証した。著者らは、スケーラブルでフォールトトレラントな光量子系における量子計算を可能にするプログラマブルなホモダイン測定システムを開発し、連続変数系で観測された中で最大のマルチステップ量子操作を達成した。

ABSTRACT

Among various approaches toward quantum computation, measurement-based quantum computation (MBQC) multiplexed in time domain is currently a promising method for addressing the need for scalability. MBQC requires two components: cluster states and programmable measurements. With time-domain multiplexing, the former has been realized on an ultra-large-scale. The latter, however, has remained unrealized, leaving the large-scale cluster states unused. In this work, we make such a measurement system and use it to demonstrate basic quantum operations multiplexed in the time domain with 25 MHz clock frequency. We verify transformations of the input states and their nonclassicalities for single-step quantum operations and also observe multi-step quantum operations up to one hundred steps.

研究の動機と目的

• 連続変数（CV）光量子系におけるスケーラブルな測定ベース量子計算（MBQC）を実現するためのプログラマブルなホモダイン測定システムの開発。
• 高速かつ同期化された測定を実現する時間ドメイン多重化（TDM）を用いて、MBQCにおけるスケーラビリティのボトルネックを克服すること。
• 大規模なMBQCアーキテクチャにおいて、複数ステップにわたる非古典的相関および正しいゲート操作の検証。
• CVクラスタ状態とプログラマブルな測定を組み合わせた、ユニバーサルでフォールトトレラントな量子計算のプロトタイプの構築。
• 100ステップに達するマルチステップ量子操作の実現可能性を示し、これはCV系で達成された最高の数である。

提案手法

• 10,000モードおよび1,000,000モードの一次元クラスタ状態を用いた時間多重連続変数（CV）クラスタ状態の実装。
• 25 MHzクロック周波数で動作可能で、正確な同期が可能な高速かつプログラマブルなホモダイン測定システムの開発。
• 量子非分離性の検証基準としてのノルマライザー演算子の使用：$\left\langle\Delta^{2}\hat{\delta}_{1}\right\rangle + \left\langle\Delta^{2}\hat{\delta}_{2}\right\rangle \geq |\langle[\hat{\zeta}^{\textrm{A}},\hat{\xi}^{\textrm{A}}]\rangle| + |\langle[\hat{\zeta}^{\textrm{B}},\hat{\xi}^{\textrm{B}}]\rangle|$, ここで $\hat{\delta}_{1} = \hat{\zeta}^{\textrm{A}} + \hat{\zeta}^{\textrm{B}}$, $\hat{\delta}_{2} = \hat{\xi}^{\textrm{A}} + \hat{\xi}^{\textrm{B}}$。
• 二モードスクリーチド状態を入力およびリソース状態として用い、分散の時間的進化を理論的に予測：$\left\langle\Delta^{2}\left[\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{x}_{\textrm{out}} + \hat{x}_{\textrm{ref}})\right]\right\rangle = (n+1) \times \frac{\hbar}{2}e^{-2r_{x}}$ 100ステップ後の分散の理論的予測。
• Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子ビットをフォールトトレラントな符号化フレームワークとして用い、ユニバーサル量子計算を実現する非ガウス的要素の実験的実装。
• プログラマブルな測定基底選択およびフィードフォワード制御を用いた単一およびマルチステップ量子操作の実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 25 MHzクロック周波数で動作するプログラマブルなホモダイン測定システムを開発することは可能か？ これにより、連続変数系における時間多重MBQCのスケーラビリティが実現可能か？
• RQ2 CV-MBQCアーキテクチャにおいて、100ステップにわたる非古典的相関および量子ゲート操作を検証することは可能か？
• RQ3 時間ドメイン多重化を用いた連続変数光量子系で、最大で何ステップの逐次量子操作が達成可能か？
• RQ4 ノルマライザー演算子の分散は、ステップ数の増加に伴ってどのように変化するか？ また、理論的予測は可能か？
• RQ5 高品質なクラスタ状態、プログラマブルな測定、非ガウス的操作の組み合わせは、CV系におけるフォールトトレラントな量子計算を可能にするか？

主な発見

• 著者らは、連続変数系で観測された中で最大の100ステップの量子操作を成功裏に実証した。
• プログラマブルなホモダイン測定システムは25 MHzクロック周波数で動作し、時間多重MBQCに不可欠な高速かつ同期化された測定を可能にした。
• 理論的予測と実験的観測が一致し、$\hat{x}$-型ノルマライザーの分散は、$(n+1) \times \frac{\hbar}{2}e^{-2r_{x}}$ に比例して線形に増加することが確認された。
• 任意の$\hat{x}$および$\hat{p}$演算子の線形結合に適用可能な一般化された非分離性基準を用いて、量子非分離性が検証された。
• 分離性不等式の破れを通じて非古典的性が確認され、複数モードおよび複数ステップにわたるもつれが実証された。
• 本システムは、連続変数光量子系を用いたスケーラブルでフォールトトレラントな測定ベース量子計算の機能的プロトタイプを確立した。