[論文レビュー] Switch networks for photonic fusion-based quantum computing

Sara Bartolucci, Patrick M. Birchall+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、光子融合型量子計算における多重化効率を著しく向上させるとともに、ハードウェアの占める面積を削減するために、一般化されたマハーズ・ゼンダ干渉計（GMZI）を用いた新しいスイッチネットワークアーキテクチャを提案する。時間多重化、低深さスイッチング、共有多重化戦略を活用することで、資源状態生成において最大5倍の高い収率を達成し、光損失とアクティブスイッチの深さを最小限に抑える。これにより、スケーラブルでフォールトトレラントな光子量子計算が可能になる。

ABSTRACT

Fusion-based quantum computing (FBQC) offers a powerful approach to building a fault-tolerant universal quantum computer using photonic components -- single-photon sources, linear-optical circuits, single-photon detectors, and optical switching with feedforward control. Both individual optical switches and sophisticated switch networks are needed where it is necessary to perform operations conditionally, using feedforward of previous photon-detection outcomes, within the lifetime of remaining photons. Most visibly, feedforward switching is required for fault-tolerant operations at the level of logical qubits, which are needed in turn for useful quantum algorithms. However, switch networks are also required for multiplexing ("muxing") stages that are needed for generating specific small entangled resource states, where it is used to boost the probabilities for allocating quantum states to fusion gates and other operations -- a task which dominates the footprint of photonic FBQC. Despite their importance, limited attention has been paid to exploring possible designs of switch networks in this setting. Here we present a wide range of new techniques and schemes which enable major improvements in terms of muxing efficiency and reductions in hardware requirements. Since the use of photonic switching heavily impacts qubit losses and errors, our schemes are constructed with low switch depth. They also exploit specific features of linear-optical circuits which are commonly used to generate entanglement in proposed quantum computing and quantum network schemes.

研究の動機と目的

• 光子融合型量子計算（FBQC）における、資源状態生成に用いられる非効率的かつ高面積を要するスイッチネットワークが引き起こす深刻なボトル neck を解消すること。
• 最小限のスイッチ深さと高い多重化効率を備えたスイッチネットワークの設計により、光子量子コンピュータにおけるハードウェアの占める面積と光損失を低減すること。
• 確率的単一光子源およびエンタングルメント生成回路の多重化戦略の改善を通じて、スケーラブルでフォールトトレラントな量子計算を可能にすること。
• ルーティングにおいて時間の自由度を活用することで、より少ない物理的リソースと低減されたアクティブ制御の複雑さで、より高い収率を達成すること。
• スイッチネットワークがルーティングの最適化に加え、ハードウェアの冗長性を可能にし、遅延する部品を迂回することも可能であることを示すこと。

提案手法

• 最小限の位相シフター深さですべての置換操作をサポートする一般化されたマハーズ・ゼンダ干渉計（GMZI）に基づくスイッチネットワークの設計。
• 1層および2層のMZIネットワークを用いて、光子をターゲットの時間的・空間的モードに高い確率でルーティングし、入力光子パターンの効率的多重化を実現。
• 時間多重化されたラスタリング戦略を導入し、必要な光源数を出力光子数に等しい係数で削減しながら、ターゲットの成功確率を維持。
• 1つの多重化器が複数のエンタングルメント生成回路を同時に処理する共有多重化アーキテクチャを実装し、全体の収率を向上。
• デ・ブリュイン型遅延ネットワークを用いてスイッチ操作をシーケンシングし、ナイーブな多重化と比較して最大6倍の使用可能な入力パターン数を達成。
• GMZIベースの多重化器に制御可能なスワップと時間符号化を統合し、標準でないエンタングル状態を回復させ、ルーティングの柔軟性を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子FBQCにおけるスイッチネットワークは、スイッチ深さと光損失を最小限に抑えつつ、多重化効率を最大化するためにどのように設計できるか？
• RQ2 時間多重化・低深さスイッチネットワークを用いることで、資源状態生成における収率向上の最大限の向上はどの程度達成可能か？
• RQ3 共有多重化戦略は、エンタングルメント生成の成功率を維持または向上させつつ、ハードウェアの占める面積を削減できるか？
• RQ4 時間多重化ネットワークにおけるラスタリングおよび逐次スイッチングは、使用可能な入力光子パターンの数をどの程度増加させられるか？
• RQ5 GMZIベースのスイッチネットワークは、古典的置換スイッチと比較して、必要な位相シフター深さと運用複雑性の点でどのように異なるか？

主な発見

• 提案されたスイッチネットワークは、標準の $4\times N/4$-to-1 マルチプレクサ戦略と比較して、特に低報知確率（$p=0.03$）条件下で、資源状態生成において最大5倍の高い収率を達成。
• 時間多重化ラスタリング戦略により、必要な光源数が出力光子数に等しい係数で削減され、ハードウェアコストが顕著に低減。
• 1層のMZIネットワークでは、ランダムに生成されたベル状態を事前に割り当てられた出力モードバンドにルーティングする成功率が70%以上に達し、2層を使用すれば100%の成功率を達成。
• 新しい多重化設計は、スパングケネットワークと比較して4〜6倍の小型化を実現しながら、同等のアクティブスイッチ深さを維持し、占める面積を顕著に削減。
• スイッチネットワークにラスタリングを統合することで、完全な効率が達成され、未使用の入力パターンによる無駄が排除される。
• 位相スイング要件を低減（$>\pi/2$）したGMZIの使用により、よりコンactかつ省電力なスイッチ実装が可能になる。