[論文レビュー] Time-Domain Multiplexed 2-Dimensional Cluster State: Universal Quantum Computing Platform

Warit Asavanant, Yu Shiozawa+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用数 83

ひとこと要約

私たちは大規模で時間領域多重化された2D連続変数クラスター状態を実験的に実現し、普遍的な測定ベースの量子計算（MBQC）とCV MBQCのスケーラブルなリソース生成を可能にします。

ABSTRACT

Quantum computation promises applications that are thought to be impossible with classical computation. To realize practical quantum computation, the following three properties will be necessary: universality, scalability, and fault-tolerance. Universality is the ability to execute arbitrary multi-input quantum algorithms. Scalability means that computational resources such as logical qubits can be increased without requiring exponential increase in physical resources. Lastly, fault-tolerance is the ability to perform quantum algorithms in presence of imperfections and noise. A promising approach to scalability was demonstrated with the generation of one-million-mode 1-dimensional cluster state, a resource for one-input computation in measurement-based quantum computation (MBQC). The demonstration was based on time-domain multiplexing (TDM) approach using continuous-variable (CV) optical flying qumodes (CV analogue of qubit). Demonstrating universality, however, has been a challenging task for any physical system and approach. Here, we present, for the first time among any physical system, experimental realization of a scalable resource state for universal MBQC: a 2-dimensional cluster state. We also prove the universality and give the methodology for utilizing this state in MBQC. Our state is based on TDM approach that allows unlimited resource generation regardless of the coherence time of the system. As a demonstration of our method, we generate and verify a 2-dimensional cluster state capable of about 5,000 operation steps on 5 inputs.

研究の動機と目的

• 普遍CV MBQCに適したスケーラブルな2Dクラスター状態の初期実験実現を示す。
• 生成した状態を用いた普遍性を示し、普遍的MBQCを実行するための方法論を提供する。
• 有限コヒーレンス時間に対してロバストで、多数の入力にスケール可能な時間領域多重化生成スキームを記述する。
• ヌリファイアを用いたエンタングルメント検証を評価し、 squeezedノイズの低減レベルによるフォールトトレランスの可能性を確立する。
• CVクラスター状態を用いたフォールトトレントな普遍量子計算への実用的経路を議論する。）

提案手法

• 四つの squeezed-light ソース、ビームスプリッター、二つの光遅延線を用いた時間領域多重化で2D CVクラスター状態を生成する。
• N個のマクロノードを1回転ごとに螺旋状のグラフを形成し、各マクロノードを k−N, k−1, k+1, k+N に接続して2D構造を実現する。
• 各時間モード指標 k に対して4種類のヌリファイアを用いて状態を特徴づけ、分散が−4.5 dB shot-noiseを下回るときにエンタングルメントを検証する。
• 任意のガウス演算を可能にするプログラム可能なホモダイネ測定基底を用いた量子テレポーテーションによる普遍的MBQCを実装し、非ガウス測定やGKPベースのスキームによる非ガウス演算を実現する。
• 約5,000の演算ステップを5入力で実行可能であることを示す普遍性を、24,960の時間モード（kは最大6,240）、4×6,240のマクロノードを用いて実証する。
• より高いsqueezingとCV誤り訂正スキームを用いたスケーラビリティとフォールトトレーンスポテンシャルについて論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間領域多重化アプローチは普遍的CV MBQCに適したスケーラブルな2Dクラスター状態を生成できるか？
• RQ2 生成した2D CVクラスター状態で達成可能な計算の普遍性はどの程度で、ガウス演算と非ガウス演算はどのように実装できるか？
• RQ3 多数の時間モードにわたるヌリファイアを用いて大規模な2Dクラスター状態のエンタングルメント構造を検証できるか？
• RQ4 現行のsqueezingとコヒーレンス制約を踏まえた入力サイズと演算ステップの現実的な限界は何か？
• RQ5 このプラットフォームを用いたフォールトトレントな普遍CV量子計算の見通しと要件は何か？

主な発見

• 大規模な2Dクラスター状態を生成・検証し、普遍CV MBQCが可能であることを示した。
• 最大24,960の時間モード（kは6,240まで）に対して、4種類のヌリファイアを分散−4.5 dB以下で測定した。
• N=5入力の2Dクラスター状態構造と、5入力で約5,000ステップの演算能力を実証。
• 高いsqueezingはCV誤り訂正スキームを介したフォールトトレランスを可能にすることを示した。
• 4つのsqueezedソース、5つのビームスプリッター、2つの遅延線を用いたスケーラブルな生成法を提供し、コヒーレンス制約内で任意に大きな2Dクラスター状態を可能にする。