[논문 리뷰] Distributed Quantum Computing in Silicon

Inc, Photonic, :외 70명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 03.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 12

한 줄 요약

본 논문은 통신용 fibre를 통한 별도 모듈 간 실리콘 T-centre 큐비트 사이의 원격 얽힘 분배 및 전송된 CNOT 게이트를 보여주며, 실리콘에서 스케일러블 Phase 3 양자 네트워킹을 위한 성능 예측을 개요합니다.

ABSTRACT

Commercially impactful quantum algorithms such as quantum chemistry and Shor's algorithm require a number of qubits and gates far beyond the capacity of any existing quantum processor. Distributed architectures, which scale horizontally by networking modules, provide a route to commercial utility and will eventually surpass the capability of any single quantum computing module. Such processors consume remote entanglement distributed between modules to realize distributed quantum logic. Networked quantum computers will therefore require the capability to rapidly distribute high fidelity entanglement between modules. Here we present preliminary demonstrations of some key distributed quantum computing protocols on silicon T centres in isotopically-enriched silicon. We demonstrate the distribution of entanglement between modules and consume it to apply a teleported gate sequence, establishing a proof-of-concept for T centres as a distributed quantum computing and networking platform.

연구 동기 및 목표

• 단일 모듈 디바이스를 넘어서는 확장 가능한 네트워크 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처를 동기화합니다.
• 텔레콤 대역 광자를 사용하여 원격 실리콘 T-centre 큐비트 간의 얽힘 분배를 시연합니다.
• 분산 얽힘을 이용한 텔레포트 게이트 시퀀스(tCNOT)를 시연합니다.
• 아이소토프가 강화된 실리콘에서 실험실 공진기 강화 T-centre 큐비트의 스핀 및 광 성능을 특성화합니다.
• 오차 허용 분산 계산을 위한 얽힘 분배 성능 예측을 제공합니다.

제안 방법

• Separate 크라이오스탯의 20 m 광섬유로 연결된 임베디드 T 센터를 가진 실리콘 포토닉 칩을 50:50 빔 스플리터에 연결합니다.
• Barrett-Kok 얽힘 프로토콜을 사용하여 두 광자 간의 간섭(Hong-Ou-Mandel 유사 프로토콜)을 통해 분산 스핀 얽힘을 공개합니다.
• 전자 스핀 및 수소 핵 스핀에 대한 초기화, 읽out 및 게이트 연산을 MW/RF와 광 사이클링으로 수행합니다.
• 단일 광자 방출 및 스핀 초기화 충실도를 검증하기 위해 PLE 스펙트럼, Purcell-증강 수명, g2(0)를 측정합니다.
• 예비 실험에서 분산 벨 쌍과 지역 연산을 활용한 사후 선택(post-selection)으로 텔레포트 CNOT 시퀀스(tCNOT)를 시연합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 T-centre가 텔레콤 광섬유를 통해 공간적으로 분리된 모듈 간 고충실도 분산 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 얽힌 T-centre 큐비트를 분산 양자 컴퓨팅 플랫폼으로 사용하여 원격 게이트 연산(텔레포트 게이트)을 수행하는 것이 가능한가?
• RQ3 현재 기술로 얽힘 분배 및 원격 연산의 달성 가능한 속도와 충실도는 어느 정도이며, fault-tolerant 분산 계산으로 어떻게 투영될 수 있는가?
• RQ4 스핀 코히런스 시간과 T-centre의 광학 특성은 Phase 3 Quantum에서 확장 가능한 네트워크 처리에 어떤 지원을 제공하는가?

주요 결과

• 두 개의 원격 T-centre 큐비트가 BK 프로토콜을 이용해 약 40 m 파이버에서 공개된 스핀-스핀 얽힘을 보인다.
• 두 광자 간섭으로 분산 벨 쌍 생성을 가능하게 하는 측정 가능한 HOM 가시성으로, 충실도는 (1+V)/2로 상한이 제시됩니다.
• Barrett-Kok 얽힘 시연은 40 ns 시간 창에서 벨 쌍 충실도 0.60(0.08)을 달성합니다.
• 모듈 간에서 사후 선택 방식으로 텔레포트 CNOT(tCNOT) 시퀀스를 시연하여 원격 게이트 실행 개념을 검증했습니다.
• T-centre의 전자 및 수소 핵 스핀은 긴 코히런스 시간을 보입니다: 전자 T2* ≈ 22.8 μs, T2 ≈ 270 μs; 핵 T2* ≈ 8.6 ms, T2 ≈ 220 ms.
• 향상된 통합 및 재료 특성으로 얽힘 충실도가 최대 0.999(저속도) 또는 약 200 kHz에서 0.998까지 예측됩니다.