[論文レビュー] Propagating Gottesman-Kitaev-Preskill states encoded in an optical oscillator

Shunya Konno, Warit Asavanant+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、損失補正なしに、光通信波長帯における連続変数光システムで、伝搬するゴーテスマン＝キティエフ＝プレスキル（GKP）量子ビットの実験的実現を初めて示した。この研究では、ホモダイン測定を用いて、スケーラブルで光ファイバーに準拠したプラットフォーム上で非古典的かつ非ガウス的性質を実現し、線形光学と量子トランスポートを用いた誤り耐性のある量子計算を可能にした。

ABSTRACT

A quantum computer with low-error, high-speed quantum operations and capability for interconnections is required for useful quantum computations. A logical qubit called Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) qubit in a single Bosonic harmonic oscillator is efficient for mitigating errors in a quantum computer. The particularly intriguing prospect of GKP qubits is that entangling gates as well as syndrome measurements for quantum error correction only require efficient, noise-robust linear operations. To date, however, GKP qubits have been only demonstrated at mechanical and microwave frequency in a highly nonlinear physical system. The physical platform that naturally provides the scalable linear toolbox is optics, including near-ideal loss-free beam splitters and near-unit efficiency homodyne detectors that allow to obtain the complete analog syndrome for optimized quantum error correction. Additional optical linear amplifiers and specifically designed GKP qubit states are then all that is needed for universal quantum computing. In this work, we realize a GKP state in propagating light at the telecommunication wavelength and demonstrate homodyne meausurements on the GKP states for the first time without any loss corrections. Our GKP states do not only show non-classicality and non-Gaussianity at room temperature and atmospheric pressure, but unlike the existing schemes with stationary qubits, they are realizable in a propagating wave system. This property permits large-scale quantum computation and interconnections, with strong compatibility to optical fibers and 5G telecommunication technology.

研究の動機と目的

• 伝搬する光学フィールドにおけるGKP量子ビットの実現を目的とし、スケーラブルで相互接続可能な量子計算を可能にする。
• 室温および大気圧下の連続変数光学系において、GKP状態の非古典的および非ガウス的性質の実証。
• GKP符号化量子ビットにおける符号化測定と誤り訂正に、線形光学操作および量子トランスポートを効果的に用いることの妥当性の検証。
• 安定化子基準を用いて、GKP状態の非古典的性質および非ガウス的性質の実験的ベンチマークを確立する。
• 大規模な量子ネットワークに向けた、既存の光ファイバーおよび5G通信インfraストラクチャとの中間性を実現する。

提案手法

• スリッピング光とディスプレースメント操作の組み合わせを用いて、1つの光学モードにGKP状態を符号化し、正準位相空間に周期的グリッド構造を生成する。
• 損失のない高効率検出装置を用いて、符号化されたGKP状態に対してホモダイン測定を実施し、量子誤り訂正のための完全なアナログ符号化測定値を抽出する。
• 非古典的性質および非ガウス的性質を定量化するため、安定化子に基づく基準を適用し、実験結果を古典的およびガウス的限界と比較する。
• ベル測定とフィードフォワードディスプレースメントを用いた量子トランスポートプロトコルを活用し、論理的演算および誤り回復を実装する。
• 測定状態における非古典的および非ガウス的特徴を正確に評価するため、ガウス操作によるウィグナー関数の補正を実施する。
• GKP状態の準備に必要なスリッピング状態とディスプレースメント操作を生成するため、パラメトリックオシレータ装置を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損失補正なしに、光通信波長帯における伝搬する光学フィールドでGKP量子ビットを正常に符号化・測定できるか？
• RQ2 標準基準に従って、実験的に生成されたGKP状態が非古典的および非ガウス的性質を示すか？
• RQ3 測定された安定化子値が、古典的およびガウス的限界をどの程度上回っているか。これは、真の量子的利点を示唆する。
• RQ4 線形光学操作および量子トランスポートが、GKP符号化量子ビットにおける符号化測定と誤り訂正に効果的に用いられるか？
• RQ5 この光学プラットフォームは、スケーラブルな量子ネットワークに向け、既存の光ファイバーおよび5G通信技術と互換性を有するか？

主な発見

• 実験は、光通信波長帯における伝搬する光学フィールドでGKP状態を正常に生成・測定し、室温および大気圧下で非古典的性質と非ガウス的性質を実証した。
• $ C_1(g) $ の測定安定化子値は、古典的およびガウス的限界を上回り、状態の真の非ガウス的性質を確認した。
• $ C_2(g) $ については、古典的限界が破られていたが、ガウス的限界は超えられず、状態は非古典的ではあるが、強く非ガウス的ではない特徴を示した。
• $ ilde{C}_{1, ext{cl}} = ext{exp}(- ext{π}) $ の最大値が超えられ、古典的境界を越えた非古典的性質が確認された。
• 結果から、GKP状態が実験的条件下でも安定しており、線形光学操作と整合可能であることが示され、誤り耐性のある量子計算が可能であることがわかった。
• 本研究は、スケーラブルで光ファイバーに準拠したGKP量子ビットのプラットフォームを確立し、大規模な量子計算および光学ネットワーク内での相互接続への道筋を示した。