[논문 리뷰] Deterministic Generation of Multidimensional Photonic Cluster States with a Single Quantum Emitter

Vinicius S. Ferreira, Gihwan Kim외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파 회로에서 단일 초전도 트랜스몬 큐비트를 양자 발광체로 사용하여 2차원 광자 클러스터 상태를 결정론적으로 자원 효율적으로 생성하는 방법을 제시한다. 느린 빛 파동도관과 스위치 가능한 거울 큐비트를 활용한 시간 지연 피드백을 통해 저자들은 70%의 품질도를 달성한 네 광자 큐비트 클러스터 상태를 결정론적으로 방출하며, 측정 기반 양자 계산을 위한 확장 가능한 온칩 양자 자원 상태 생성이 가능하다.

ABSTRACT

Multidimensional photonic graph states, such as cluster states, have prospective applications in quantum metrology, secure quantum communication, and measurement-based quantum computation. However, to date, generation of multidimensional cluster states of photonic qubits has relied on probabilistic methods that limit the scalability of typical generation schemes in optical systems. Here we present an experimental implementation in the microwave domain of a resource-efficient scheme for the deterministic generation of 2D photonic cluster states. By utilizing a coupled resonator array as a slow-light waveguide, a single flux-tunable transmon qubit as a quantum emitter, and a second auxiliary transmon as a switchable mirror, we achieve rapid, shaped emission of entangled photon wavepackets, and selective time-delayed feedback of photon wavepackets to the emitter qubit. We leverage these capabilities to generate a 2D cluster state of four photons with 70\% fidelity, as verified by tomographic reconstruction of the quantum state. We discuss how our scheme could be straightforwardly extended to the generation of even larger cluster states, of even higher dimension, thereby expanding the scope and practical utility of such states for quantum information processing tasks.

연구 동기 및 목표

• 광학 시스템에서 확률적 광자 클러스터 상태 생성의 확장성 한계를 극복하기 위해.
• 단일 양자 발광체만을 사용하여 다차원 광자 클러스터 상태를 결정론적으로 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• 느린 빛 파동도관과 스위치 가능한 거울을 통해 시간 지연 피드백 메커니즘을 구현하여 얽힘 공학을 구현하기 위해.
• 측정 기반 양자 계산에 적합한 고품질 2차원 클러스터 상태 생성을 입증하기 위해.
• 기존 하드웨어 개선을 통해 더 큰 크기나 다차원 클러스터 상태로의 확장 가능성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 30 ns 이상의 짧은 지속시간을 가진 형태화된 마이크로파 광자 웨이브패킷을 위한 결정론적 양자 발광체로 플럭스 조절 가능한 트랜스몬 큐비트를 사용한다.
• 제어된 시간 지연을 위해 느린 빛 파동도관(SLWG)으로 기능하는 결합 공진기 어레이를 활용한다.
• 방출된 광자를 다시 발광체로 반사하여 시간 지연 피드백을 수행하기 위해 두 번째 플럭스 조절 가능한 트랜스몬 큐비트를 스위치 가능한 거울로 사용한다.
• 시간 지연 피드백을 적용하여 근접하지 않은 이웃 간 얽힘을 공학적으로 구현함으로써, 순차적 광자 방출을 통해 2차원 클러스터 상태를 구성한다.
• 피드백 메커니즘의 특성을 특성화하기 위해 양자 과정 토모그래피를, 생성된 클러스터 상태의 재구성과 검증을 위해 양자 상태 토모그래피를 적용한다.
• 회로 QED에서의 강한 큐비트-광자 결합을 활용하여 고품질의 얽힘과 게이트 연산을 달성하며, 시뮬레이션에서 CZ 게이트의 품질도 약 97%로 추정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 회로 내 단일 양자 발광체가 다차원 광자 클러스터 상태를 결정론적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 느린 빛 파동도관과 스위치 가능한 거울을 통한 시간 지연 피드백는 어떻게 2차원 클러스터 상태의 비근접 이웃 얽힘을 공학적으로 구현할 수 있는가?
• RQ3 이 결정론적 피드백 기반으로 생성된 2차원 클러스터 상태의 도달 가능한 품질도는 얼마인가?
• RQ4 이 기법을 3차원 클러스터 상태 또는 더 큰 2차원 상태로 확장하기 위해 필요한 하드웨어 및 제조 기술 개선 사항은 무엇인가?
• RQ5 이 접근법은 측정 기반 양자 계산에서 고장 내성 논리 오류 억제를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 양자 상태 토모그래피를 통해 검증된 바, 네 개의 마이크로파 광자로 구성된 2차원 클러스터 상태를 실험적으로 생성하였으며, 품질도는 70%였다.
• 시간 지연 피드백 메커니즘은 양자 과정 토모그래피를 통해 특성화되었으며, 방출된 광자와 발광체 큐비트 간의 간섭 효과가 유지됨을 확인하였다.
• 얽힘 프로토콜의 핵심 구성 요소인 CZ 게이트의 품질도 시뮬레이션에서 97%로 추정되었으며, 실험에서의 90% 수준은 주로 SPAM 오류에 의해 제한되었다.
• 이 기법은 확장 가능하다: 느린 빛 파동도관의 유닛 세포 수를 늘리거나 유닛 세포 크기를 줄이면 클러스터 상태 크기를 약 10배 증가시킬 수 있다.
• 음향 지연선을 통합하면 라운드트립 지연 시간을 더욱 연장하고 패kg징 유도 손실에 대한 민감도를 감소시킬 수 있다.
• 지연선의 중간 지점에 두 번째 거울 큐비트를 추가함으로써 두 가지 다른 피드백 지연을 가능하게 함으로써 3차원 클러스터 상태로의 확장도 실현 가능하다.