[論文レビュー] Why I am optimistic about the silicon-photonic route to quantum computing

Terry Rudolph|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2016

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、大規模なシリコンフォトニクス量子コンピューティングが、スケーラブルなクラスター状態量子計算を線形光技術を用いて実現できるようにするため、効率的でほぼ決定的である3光子もつれ状態の光源の開発にかかっていると主張している。このような光源が実現されれば、アーキテクチャは1光子あたり定数個の光学素子しか必要としなくなり、現在のCMOS互換性を持つフォトニクス集積回路で実現可能であり、誤り率が$10^{-8}$未満である可能性を秘めている。

ABSTRACT

This is a short overview explaining how building a large-scale, silicon-photonic quantum computer has been reduced to the creation of good sources of 3-photon entangled states (and may simplify further). Given such sources, each photon need pass through a small, constant, number of components, interfering with at most 2 other spatially nearby photons, and current photonics engineering has already demonstrated the manufacture of thousands of components on two-dimensional semiconductor chips with performance that allows the creation of tens of thousands of photons entangled in a state universal for quantum computation. At present the fully-integrated, silicon-photonic architecture we envisage involves creating the required entangled states by starting with single-photons produced non-determistically by pumping silicon waveguides (or cavities) combined with on-chip filters and nanowire superconducting detectors to herald that a photon has been produced. These sources are multiplexed into being near-deterministic, and the single photons then passed through an interferometer to non-deterministically produce small entangled states - necessarily multiplexed to near-determinism again. This is followed by a `ballistic' scattering of the small-scale entangled photons through an interferometer such that some photons are detected, leaving the remainder in a large-scale entangled state which is provably universal for quantum computing implemented by single-photon measurements. There are a large number of questions regarding the optimum ways to make and use the final cluster state, dealing with static imperfections, constructing the initial entangled photon sources and so on, that need to be investigated before we can aim for millions of qubits capable of billions of computational time-steps. The focus in this article is on the theoretical side of such questions.

研究の動機と目的

• スケーラブルなシリコンフォトニクス量子コンピュータを構築する上で主な課題は、3光子もつれ状態の効率的生成にあると主張すること。
• このような光源が利用可能になると、残りのアーキテクチャは既に現在のフォトニクス集積回路（PIC）技術で実現可能な線形光干渉計に還元されることを示すこと。
• 計算規模にかかわらず、1光子あたり定数個の部品しか使用しないことにより、量子メモリの必要性を回避し、オーバーヘッドを最小限に抑えること。
• 損失に強いグラフ状態、多重化方式、誤り耐性を持つクラスター状態アーキテクチャに関する理論的研究を推進すること。
• 提案されたアーキテクチャが既存のCMOSプロセスと互換性があるため、将来、数百万個の部品へのスケーリングが可能になること。

提案手法

• ポンプ駆動のシリコン波ガイドまたはキャビティを用いた非決定的単一光子源と、オンチップフィルタおよび超伝導ナノワイヤ検出器を組み合わせ、陽性検出を行う。
• 単一光子を多重化してほぼ決定的動作を達成し、その後干渉計を通過させて小規模なもつれ状態を生成する。この状態を再び多重化することで、ほぼ決定的状態を得る。
• 「弾道的」な散乱プロセスにより、これらの小規模なもつれ状態が大規模干渉計内に分配され、光子検出によって残りの光子が大規模かつ普遍的なクラスター状態に投影される。
• クラスター状態は測定ベース量子計算に使用され、アダマールゲートやSゲートは事前に準備されたグラフ状態をオンザフライで接続することで実装される。
• 光子損失に対して耐性を持つグラフ状態（例：「クレイジー・グラフ」）を提案し、量子メモリや長時間の遅延を必要とせずに損失を補償する。
• 多重化技術を用いて確率的ノイズを抑制し、リソース効率を向上させ、理論的解析により誤り率が$10^{-8}$未満である可能性が示唆されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子メモリや長時間の遅延を必要とせず、損失に強い量子符号を弾道的フォトニクスアーキテクチャに統合することは可能か？
• RQ2 状態準備中に確率的パウリノイズを増幅しない方法で、必要なクラスター状態グラフを生成する手段はあるか？
• RQ3 「クレイジー・グラフ」アーキテクチャは、木コードの原理にインspiredされて、量子リピーターの性能を向上させることができるか？
• RQ4 非決定的光源をどのように多重化すれば、最小限のリソースオーバーヘッドでほぼ決定的3光子もつれ状態を達成できるか？
• RQ5 フォトニクス量子コンピューティングの理論枠組みは、ノイズとスケーラビリティという点でシリコンフォトニクスの独自の制約にどのように適合できるか？

主な発見

• スケーラブルなシリコンフォトニクス量子コンピューティングの主な課題は、効率的でほぼ決定的な3光子もつれ状態の生成にかかっており、この問題が解決されれば、残りのアーキテクチャは容易になる。
• 現在のフォトニクス集積回路技術では、チップ上に数千個の部品を実装でき、数十万個のもつれ光子を生成するのに十分な性能を発揮しており、普遍的量子計算を可能にする。
• 理論的解析により、シリコンフォトニクスシステムにおける確率的誤り率は$10^{-8}$まで低下する可能性があり、これは誤り耐性量子計算に必要な$10^{-6}$の閾値をはるかに下回る。
• 最終的なクラスター状態において、1機能的量子ビットあたり20個未満の物理的光子が必要であり、ノイズの発生するアクティブ素子を通過するのは最大2光子までに制限される。
• 多重化されたオンチップ単一光子源と干渉計による状態生成の組み合わせにより、量子メモリを必要とせず、スケーラブルでモジュラーなクラスター状態生成が可能になる。
• 理論的枠組みとしての「クレイジー・グラフ」状態は、損失耐性に有望であり、量子リピーター性能の向上に適応可能であると示唆されている。