[논문 리뷰] Efficient Linear Optics Quantum Computation

Emanuel Knill, Raymond Laflamme외 1명|ArXiv.org|2000. 06. 20.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 선형 광학 양자 계산(LOQC)을 제안하며, 단일 광자 원천, 수동 선형 광학 장치, 광자 검출기 및 고전적 피드포워드 제어만을 사용하여 보편적인 양자 계산이 가능하다는 것을 보여준다. 주요 기여는 측정 유도 피드백을 통해 비결정성 양자 게이트를 신뢰할 수 있게 만들 수 있음을 증명한 것으로, 이는 상태 준비에 약한 비틀림만을 요구하는 스케일러블한 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We investigate the computational power of passive and active linear optical elements and photo-detectors. We show that single photon sources, passive linear optics and photo-detectors are sufficient for implementing reliable quantum algorithms. Feedback from the detectors to the optical elements is required for this implementation. Without feedback, non-deterministic quantum computation is possible. A single photon source sufficient for quantum computation can be built with an active linear optical element (squeezer) and a photo-detector. The overheads associated with using only linear optics appear to be sufficiently low to make quantum computation based on our proposal a viable alternative.

연구 동기 및 목표

• 보편적인 양자 계산이 수동 선형 광학 장치, 광자 검출기, 단일 광자 원천만을 사용하여 달성될 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 피드백과 측정이 비결정성 광학 게이트로부터 결정성 양자 계산을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할을 조사하는 것.
• 선형 광학 요소와 광자 검출에 기반한 양자 계산의 실현 가능성과 스케일러비리를 평가하는 것. 이는 강한 광학 비선형성의 필요성을 배제한다.
• 약한 비틀림과 비결정성 원천이 측정 및 고전적 피드포워드와 함께 사용될 경우 보편적인 양자 계산을 위한 충분한 자원임을 확립하는 것.

제안 방법

• 논문은 단일 광자 상태를 두 개의 광학 모드에서 사용하여 큐비트를 모델링하며, |0⟩을 모드 1에 단일 광자가 존재하는 것으로, |1⟩을 모드 2에 단일 광자가 존재하는 것으로 표현한다.
• 수동 선형 광학 장치—위상 이동기와 분광기—는 생성 연산자의 유니터리 변환을 통해 실현되며, 전체 연산 집합은 이러한 구성 요소의 순서로 실현 가능하다.
• 광자 검출기에서의 측정 결과는 고전적으로 처리되어 후속 연산을 조건부로 적용하는 데 사용되며, 이는 피드백 제어를 통한 양자 게이트를 가능하게 한다.
• 비결정성 양자 제어-위상 게이트는 제어된 위상 이동이 있는 이중 경로 간섭계를 사용하여 실현되며, 성공적인 작동은 네 광자 동시성 검출에 의해 알림을 받는다.
• 이 방법은 선형 광학에서 생성되는 연속 파울리 군의 정규화자에 기반하며, 진공 상태와 광자 검출이 보편성에 필요한 비안정 자원을 제공한다.
• 스케일러비리는 양자 오류 수정 코드를 사용하여 논리 큐비트를 인코딩함으로써 달성되며, 자원 과부하를 줄이고 고장 내성 작동을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보편적인 양자 계산이 수동 선형 광학 장치, 단일 광자 원천, 광자 검출기만을 사용하여 달성될 수 있는가?
• RQ2 고전적 피드포워드는 비결정성 광학 게이트를 신뢰할 수 있는 결정성 양자 연산으로 전환하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 보편적인 양자 계산을 가능하게 하는 단일 광자 상태를 생성하기 위해 얼마나 많은 비틀림이 필요한가?
• RQ4 양자 오류 수정 코드는 선형 광학 양자 계산의 자원 과부하를 줄여 스케일러블하게 만들 수 있는가?
• RQ5 선형 광학 시스템에서 보편적인 양자 게이트 집합을 실현하기 위해 필요한 최소한의 물리적 자원은 무엇인가?

주요 결과

• 보편적인 양자 계산은 단일 광자 원천, 수동 선형 광학 장치, 광자 검출기 및 고전적 피드포워드 제어만을 사용하여 가능하다.
• 측정 기반 피드백을 통해 비결정성 양자 게이트를 안정적으로 만들 수 있으며, 이는 확률적 게이트 작동에도 불구하고 결정성 계산을 가능하게 한다.
• 약한 비틀림만 필요하며, 이는 유일하게 단일 광자 상태 준비에 사용되며, 게이트 작동에는 필요하지 않다.
• 양자 오류 수정 코드의 사용은 선형 광학 양자 계산과 관련된 자원 과부하를 크게 줄여 스케일러비리를 향상시킨다.
• 제안된 방법은 광자 큐비트를 위한 거의 결정성 양자 텔레포테이션과 패리티 측정을 가능하게 하며, 즉각적인 응용 가능성이 있는 양자 통신 분야에 기여한다.
• LOQC의 이론적 과부하는 충분히 낮아 현재 실험적 제약이 존재하더라도 다른 양자 계산 제안 사례와의 대안으로 유력하게 여겨질 수 있다.