[논문 리뷰] Distributed quantum computing with photons and atomic memories

Eun Young Oh, Xuanying Lai외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 05.

Quantum Information and Cryptography인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 광자 큐비트와 원자 군집 양자 메모리를 조합하여 라이드버그 차단을 통해 보편적인 두 큐비트 게이트를 실현하는 확장 가능한 분산 양자 계산 아키텍처를 제안한다. 광자 큐비트를 집합적 원자 상태로 변환함으로써, 높은 정밀도와 확장성을 갖춘 결정적 광자 비선형 상호작용을 달성하며, 고장 내성 및 네트워크 기반의 양자 계산을 위한 초전도체나 포획 이온 플랫폼에 비해 강력한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

The promise of universal quantum computing requires scalable single- and inter-qubit control interactions. Currently, three of the leading candidate platforms for quantum computing are based on superconducting circuits, trapped ions, and neutral atom arrays. However, these systems have strong interaction with environmental and control noises that introduce decoherence of qubit states and gate operations. Alternatively, photons are well decoupled from the environment, and have advantages of speed and timing for distributed quantum computing. Photonic systems have already demonstrated capability for solving specific intractable problems like Boson sampling, but face challenges for practically scalable universal quantum computing solutions because it is extremely difficult for a single photon to "talk" to another deterministically. Here, we propose a universal distributed quantum computing scheme based on photons and atomic-ensemble-based quantum memories. Taking the established photonic advantages, we mediate two-qubit nonlinear interaction by converting photonic qubits into quantum memory states and employing Rydberg blockade for controlled gate operation. We further demonstrate spatial and temporal scalability of this scheme. Our results show photon-atom network hybrid approach can be an alternative solution to universal quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 강한 단일 광자 비선형성이 부족하여 광자 양자 계산에서 결정적 두 큐비트 얽힘을 달성하는 데 어려움이 존재하는 문제를 해결하기 위해.
• 광자의 장수명 공명성과 낮은 비편향성, 원자 군집의 제어 가능한 비선형 상호작용을 활용하여 확장 가능하고 보편적인 양자 계산을 실현하기 위해.
• 비행 광자 큐비트가 효율적인 양자 메모리 변환을 통해 현지 원자 양자 메모리와 인터페이스를 맺는 분산 아키텍처를 개발하기 위해.
• 원자 군집에서의 라이드버그 차단을 비선형 자원으로 사용하여 확장 가능하고 고정밀도의 두 큐비트 제어-위상 게이트를 달성하기 위해.
• 시간선 양자 계산과 다중 노드 네트워크 아키텍처를 통해 이론적 공간적 및 시간적 확장성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 광자 큐비트는 단일 광자의 편광 상태 |H⟩ 및 |V⟩에 인코딩되며, 웨이브 플레이트와 비스플리터와 같은 선형 광학 장치를 통해 조작된다.
• 광자 큐비트는 전자기 유도 투과성(EMT)을 통해 레이저 냉각된 원자 군집에서 집합적 원자 초위상 상태로 변환되어 저장 및 처리된다.
• 두 큐비트 제어-위상(CP) 게이트는 두 원자 군집 간의 라이드버그 차단을 통해 실현되며, 라이드버그 상태로 도달한 원자가 블록레이드 반경 내에서 두 번째 원자를 자극하는 것을 방지한다.
• 이 방법은 두 가지 구성으로 이루어지며, 제어 모드와 타겟 모드를 위한 별도의 원자 군집을 사용하는 경우와, 하나의 공유된 군집과 겹치는 광자 모드를 사용하는 경우로 나뉜다. 후자는 효율성을 향상시킨다.
• 냉각된 원자 군집에서 EIT 기반의 기본 상태 양자 메모리를 사용하여 양자 메모리 효율성(η > 85%)과 고정밀도 상태 전송(정밀도 > 99%)을 달성한다.
• 편광 조작 장치(PMU)를 통해 읽기 광자를 재활용함으로써 시간선 양자 계산이 가능해지며, 동일한 양자 메모리를 반복적으로 사용하여 계산 깊이를 연장할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 선형 광학에 의존하지 않고도 광자 양자 계산에서 결정적 두 큐비트 얽힘을 달성할 수 있는가?
• RQ2 원자 군집에서의 라이드버그 차단이 단일 광자 수준에서 광자 큐비트 간 효과적인 비선형 상호작용을 매개할 수 있는가?
• RQ3 광자-원자 하이브리드 아키텍처가 고정밀도와 시간 효율성으로 확장 가능하고 보편적인 양자 계산을 실현할 수 있는가?
• RQ4 제어-위상 게이트의 정밀도와 효율성이 큐비트 수와 메모리 효율성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이 아키텍처는 양자 메모리 재활용을 통해 분산 양자 계산과 시간선 양자 계산을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 메모리 효율성 η = 0.9일 때 N = 100 큐비트 조건에서도 제어-위상 게이트 정밀도 > 0.47를 달성하여 비편향성에 대한 강건성을 입증한다.
• 자원 과잉과의 상충 관계를 보여주기 위해 생성 효율성이 N 증가에 따라 급격히 감소한다.
• EIT 기반 원자 군집 양자 메모리는 단일 광자 편광 큐비트 저장 및 회수에서 > 85%의 효율성과 > 99%의 정밀도를 달성한다.
• 라이드버그 차단의 사용은 약한 광학 비선형성이 단일 광자 수준에서 근본적인 제약임을 극복하는 결정적 광자 비선형 상호작용을 가능하게 한다.
• 이 아키텍처는 공간적 및 시간적 확장성을 지원하여, 양자 메모리 재활용을 통한 분산 양자 계산과 시간선 양자 계산을 실현할 수 있다.
• 이 방법은 기존의 광학 선형 광학 장치와 중성 원자 비선형성과 호환되며, 보편적인 양자 계산을 위한 모듈식이고 네트워크 준비된 플랫폼을 형성한다.