[논문 리뷰] Generation of optical Gottesman-Kitaev-Preskil states with cavity QED

Jacob Hastrup, Ulrik L. Andersen|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 16.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 비가우시안 자원을 사용하여 고신뢰도의 고트스만-키타에프-프레스킬(GKP) 상태를 광 영역에서 결정론적으로 생성하는 결정론적, 캐비티 QED 기반 방법을 제안한다. 이는 고장내성 연속변수 양자 컴퓨팅을 가능하게 한다. 시뮬레이션 결과, 향후 근접한 실험 환경에서 현실적인 노이즈와 유한한 협조도 조건 하에서도 10 dB 이상의 압축이 가능한 GKP 상태를 구현할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states are a central resource for fault-tolerant optical continuous-variable quantum computing and communication. However, their realization in the optical domain remains to be demonstrated. Here we propose a method for preparing GKP states using a cavity QED system as the only non-Gaussian element. This system can be realized in several platforms such as trapped atoms, quantum dots or diamond color centers. We simulate the protocol with finite-cooperativity systems to evaluate the achievable quality of the produced GKP states in realistic noisy systems. We further combine the protocol with the previously proposed breeding protocol by Vasconcelos et al. to relax the demands on the quality of the QED system. We find that GKP states with more than 10 dB squeezing could be achieved in near-future experiments. Additionally, the approach can be made fully deterministic, thus providing a more scalable and hardware-efficient approach compared to probabilistic approaches based on photon counting.

연구 동기 및 목표

• 고장내성 연속변수 양자 컴퓨팅에 필수적인 광 영역에서 GKP 상태를 실험적으로 실현하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하기 위해.
• 기존 접근 방식에서 흔히 사용되는 확률적 광자 수세기 기법을 피하는 가용성과 하드웨어 효율성이 높은 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 단일 캐비티 QED 시스템을 비가우시안 자원으로 사용하여 고품질의 GKP 상태를 생성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 유한한 협조도와 실험적 불완전성 등 현실적인 노이즈 조건 하에서 프로토콜의 성능을 평가하기 위해.
• 기존에 개발된 바이팅 프로토콜(Vasconcelos 등에 의해)과 통합하여 QED 시스템의 품질에 대한 엄격한 요구 조건을 줄이기 위해.

제안 방법

• 포획된 원자, 양자점 또는 다이아몬드 색심을 사용하여 실현 가능한 캐비티 QED 시스템을 유일한 비가우시안성의 원천으로 사용하여 GKP 상태를 준비한다.
• 광자 수세기 기반의 후처리 선택을 피하는 결정론적 프로토콜을 활용하여 확장성과 자원 효율성을 향상시킨다.
• 근접한 실험 플랫폼에서 현실적인 노이즈와 비가역성 효과를 모델링하기 위해 유한한 협조도 시스템에서 프로토콜을 시뮬레이션한다.
• 제안된 프로토콜을 이전에 개발된 바이팅 프로토콜과 통합하여 낮은 품질의 초깃자원으로부터 고신뢰도의 GKP 상태를 정련한다.
• 캐비티와 큐비트 간의 양자 피드백 및 제어된 상호작용을 활용하여 GKP 상태의 특징인 코herent 상태의 초위상(superposition)을 설계한다.
• 생성된 GKP 상태의 압축도와 논리 오류율을 분석하여 그 품질과 고장내성 잠재력을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확률적 광자 수세기 기반의 의존 없이 결정론적 캐비티 QED 기반 프로토콜이 광 영역에서 고신뢰도 GKP 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 실제로 유한한 협조도를 갖는 캐비티 QED 시스템에서 실험적 노이즈 조건 하에서 도달 가능한 압축도와 신뢰도는 어느 정도인가?
• RQ3 프로토콜을 바이팅 프로토콜과 통합함으로써 기반 QED 시스템의 품질 요구 조건은 얼마나 줄어들 수 있는가?
• RQ4 기존의 확률적 접근 방식에 비해 이 프로토콜은 얼마나 확장 가능하고 하드웨어 효율적인가?
• RQ5 이 방법을 사용할 경우, 근접한 실험 플랫폼에서 GKP 상태 생성의 실질적 한계는 어디까지인가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 확률적 대안에 비해 자원 효율성을 크게 향상시키는 결정론적 광학 GKP 상태 생성을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과, 현실적인 유한한 협조도 시스템에서 10 dB 이상의 압축이 가능한 GKP 상태를 도달할 수 있음을 보여준다.
• 실제 노이즈와 비가역성 조건에서도 프로토콜이 강인하게 유지되어 향후 근접한 실험적 구현 가능성을 입증한다.
• 바이팅 프로토콜과의 통합을 통해 QED 시스템의 품질에 대한 엄격한 요구 조건을 줄여 현재 기술로도 접근 가능한 접근법이 된다.
• 단일 비가우시안 자원만을 사용하여 고장내성 연속변수 양자 컴퓨팅을 위한 확장 가능하고 하드웨어 효율적인 길을 제공한다.
• 결과적으로, 고성능 GKP 상태는 기존 또는 근접한 미래의 캐비티 QED 플랫폼으로도 도달 가능하며, 고장내성 양자 정보 처리에 적합하다.