[論文レビュー] Unconditional measurement-based quantum computation with optomechanical continuous variables

Oussama Houhou, Darren W. Moore+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、統合された線形および二次的光機械的結合を有する光機械的系を用いて、連続変数測定基盤量子計算の決定的で無条件のアプローチを提案する。駆動・散逸ダイナミクスを用いることで、著者らは非ガウス的クラスター状態（三次相関状態を含む）の決定的準備を実証し、連続的出力場モニタリングにより任意のガウス測定を実現できることを示し、現在の技術的実現可能性のもとで普遍的量子計算を可能にする。

ABSTRACT

Universal quantum computation encoded over continuous variables can be achieved via Gaussian measurements acting on entangled non-Gaussian states. However, due to the weakness of available nonlinearities, generally these states can only be prepared conditionally, potentially with low probability. Here we show how universal quantum computation could be implemented unconditionally using an integrated platform able to sustain both linear and quadratic optomechanical-like interactions. Specifically, considering cavity opto- and electro-mechanical systems, we propose a realisation of a driven-dissipative dynamics that deterministically prepares the required non-Gaussian cluster states -- entangled squeezed states of multiple mechanical oscillators suitably interspersed with cubic-phase states. We next demonstrate how arbitrary Gaussian measurements on the cluster nodes can be performed by continuously monitoring the output cavity field. Finally, the feasibility requirements of this approach are analysed in detail, suggesting that its building blocks are within reach of current technology.

研究の動機と目的

• 連続変数量子計算における非ガウス的状態準備の確率的性質という主な障壁を克服すること。
• ガウス操作のみと決定的状態準備を用いて、連続変数で普遍的量子計算を実現すること。
• 二次的光機械的結合を有する光機械的系が、普遍的測定基盤量子計算のスケーラブルで統合されたプラットフォームとして機能できることを示すこと。
• 散逸工学と連続的モニタリングを用いて、非ガウス的クラスター状態とガウス測定を両方とも無条件に実装できることを示すこと。
• 現実的なパラメータを分析し、熱雑音や有限の圧縮性のもとでも高い忠実度を示すことにより、実現可能性を確立すること。

提案手法

• 時間依存の多周波数古典的駆動を用いた駆動・散逸型光機械系を用い、有効な非線形ダイナミクスを設計する。
• キャビティモードの断熱的消去を用いて、機械的振動子のダイナミクスを記述する有効なマスター方程式を導出する。
• 非ガウス的クラスター状態（エンタングルド圧縮状態および三次相関状態を含む）を定常状態として準備する散逸プロトコルを設計する。
• 出力キャビティ場の連続的モニタリングを用いて、クラスターのノードに対して任意のガウス測定を実行する。
• 最適な非ガウス的リソース状態へのシステムの誘導を可能にするために、動的制御による光機械的結合の切り替えプロトコルを適用する。
• 断熱的消去により得られた有効マスター方程式を用いて、熱雑音と有限圧縮性のもとでの忠実度解析を含む数値シミュレーションにより、このスキームを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 普遍的測定基盤量子計算に必要な非ガウス的クラスター状態を、連続変数系で決定的に準備できるか？
• RQ2 二次的光機械的結合を有する光機械的系が、後選別を伴わずにこのような状態を無条件に準備できるか？
• RQ3 出力場の連続的モニタリングが、このプラットフォームで任意のガウス測定を実装するのに十分か？
• RQ4 現実の熱雑音およびデコherence効果のもとでの、このアプローチの限界は何か？
• RQ5 有限の圧縮性と熱雑音のもとでも、リソース状態および測定操作の忠実度を維持できるか？

主な発見

• 提案された駆動・散逸型光機械的系は、エンタングルド圧縮状態および三次相関状態を含む非ガウス的クラスター状態を、定常状態として決定的に準備できる。
• 数値的シミュレーションにより、熱雑音のもとでも最終的なクラスター状態の忠実度が高く保たれ、温度が上昇するにつれて忠実度が低下することが示された。
• 三次相関ゲートの実装において高い平均忠実度が達成されており、温度と減衰率が上昇するほど忠実度が低下する傾向を示した。
• 連続的モニタリングの使用により、効果的なガウス測定が可能となり、運動量観測量の有限分解能による離散化に対してもロバストであることが確認された。
• 断熱的消去により導出された有効マスター方程式は、現実的なパラメータのもとでプロトコルの安定性と実現可能性を裏付けた。
• 量子メモリや後選別を回避できるため、現在の光機械的技術と照らして、より実験的に実現可能である。