[논문 리뷰] Deterministic multi-mode gates on a scalable photonic quantum computing platform

Mikkel V. Larsen, Xueshi Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 27.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 66인용 수 131

한 줄 요약

이 논문은 연속변수 광학 클러스터 상태를 사용하여 최초로 결정론적이고 프로그래머블하며 다중모드 양자 계산 플랫폼을 구현한다. 대규모 2차원 시간에 코딩된 클러스터 상태에서 단계 프로그래밍된 복소측정을 적용함으로써 저자들은 게이트 텔레포테이션을 통해 유니버설한 가우시안 게이트 집합을 실현하였으며, 통신파장 호환성과 확장 가능성을 갖춘 고장내성 양자계산 잠재력을 달성하였다.

ABSTRACT

Quantum computing can be realized with numerous different hardware platforms and computational protocols. A highly promising approach to foster scalability is to apply a photonic platform combined with a measurement-induced quantum information processing protocol where gate operations are realized through optical measurements on a multipartite entangled quantum state -- a so-called cluster state. Heretofore, a few quantum gates on non-universal or non-scalable cluster states have been, but a full set of gates for universal scalable quantum computing has not been realized. We propose and demonstrate the deterministic implementation of a multi-mode set of measurement-induced quantum gates in a large two-dimensional (2D) optical cluster state using phase-controlled continuous variable quadrature measurements. Each gate is simply programmed into the phases of the high-efficiency quadrature measurements which execute the transformations by teleportation through the cluster state. Using these programmable gates, we demonstrate a small quantum circuit consisting of 10 single-mode gates and 2 two-mode gates on a three-mode input state. On this platform, fault-tolerant universal quantum computing is possible if the cluster state entanglement is improved and a supply of Gottesman-Kitaev-Preskill qubits is available. Moreover, it operates at the telecom wavelength and is therefore network connectable without quantum transducers.

연구 동기 및 목표

• 연속변수 측정기반 양자계산(MBQC) 기반의 확장 가능하고 결정론적이며 완전히 프로그래머블한 광학 양자계산 플랫폼을 개발하기 위해.
• 측정 유도 게이트 텔레포테이션을 통해 오직 가우시안 연산과 고츠먼-키타예프-프레스킬(GKP) 큐비트만을 사용하여 유니버설 양자계산을 실현하기 위해.
• 클러스터 상태의 얽힘을 향상시키고 GKP 인코딩 큐비트를 통합하여 고장내성 양자계산을 달성하기 위해.
• 양자 변환기 없이도 통신파장(1550 nm)에서 작동시켜 네트워크 연결성을 확보하기 위해.
• 양자 회로가 고효율 혼합측정을 위한 단계 설정으로 컴파일되는 하드웨웨어-소프트웨어 인터페이스를 구축하기 위해.

제안 방법

• 플랫폼은 Nτ 지연선을 통해 1차원 클러스터 상태를 2차원 실린더형으로 감아내며, 공간 모드 A와 B는 시간 모드 k에 해당한다.
• 1550 nm에서 동작하는 두 개의 광학적 비선형 발진기(OPO)에서 생성된 압축된 빛이 비대칭 간섭계에서 간섭함으로써 클러스터 상태를 생성한다.
• 게이트는 빔스플리터와 조절 가능한 국소오실레이터 위상가진 가변형 혼합측정계를 사용하여 클러스터 상태 모드에서의 사영적 복소측정을 통해 실현된다.
• 게이트 작동은 복소측정의 측정 기저(위상) 조절을 통해 완전히 프로그래밍되며, 클러스터 상태를 통해 게이트 텔레포테이션을 실현한다.
• 계산 체계는 클러스터 상태 실린더를 따라 시간순서로 측정을 수행함으로써 정보 흐름과 일치시키며, 광학 메모리가 필요 없게 된다.
• 시스템은 GKP 인코딩을 활용하여 오직 가우시안 연산과 오류보정을 통해 고장내성 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속변수 클러스터 상태를 사용하여 확장 가능하고 결정적이며 완전히 프로그래머블한 광학 양자계산 플랫폼을 실현할 수 있는가?
• RQ2 측정기반 양자계산을 통해 오직 가우시안 연산과 GKP 인코딩 큐비트만을 사용하여 유니버설 양자계산을 실현할 수 있는가?
• RQ3 실제 실험 설정에서 클러스터 상태의 압축도, 측정 효율성, 위상 안정성에 따라 게이트 노이즈가 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 펌프 파워, 광학 효율성, 압축 대역폭을 최적화함으로써 게이트 품질을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 통신파장에서 작동하여 향후 광학 네트워크 통합을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 2차원 클러스터 상태를 사용하여 3모드 입력 상태에서 10개의 단일모드 게이트와 2개의 이중모드 게이트를 포함한 완전히 결정론적이고 프로그래머블한 다중모드 양자 회로를 구현하였다.
• 측정된 단일모드 게이트 노이즈는 1.6 dB(1.4V₀)로, 4.4 dB의 초기 운동량 압축도에 기반한 이론적 예측과 일치한다.
• 펌프 파워와 광학 효율성이 증가함에 따라 게이트 노이즈가 감소하지만, 현재 설정에서 손실과 위상 변동으로 인해 포화 상태에 도달한다.
• 이론적 분석에 따르면, 더 높은 효율성(≥90%)과 더 넓은 압축 대역폭(예: 100 MHz 대비 7.7 MHz)을 통해 게이트 노이즈를 추가로 감소시킬 수 있다.
• 플랫폼은 1550 nm에서 작동하여 양자 변환기가 없이도 직접 네트워크 연결이 가능하다.
• 클러스터 상태의 얽힘을 향상시키고 GKP 큐비트를 공급할 경우, 고장내성 연속변수 MBQC 모델에 따라 유니버설 양자계산 잠재력이 달성된다.