[논문 리뷰] Gottesman-Kitaev-Preskill state preparation by photon catalysis

Miller Eaton, Rajveer Nehra외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 05.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 연속변수 양자계산에서 고테스만-키타에프-프레스킬(GKP) 상태를 생성하기 위한 이론적 프레임워크를 제안한다. 광자 촉매 작용을 통해 일관된 상태와 단일 광자 상태를 간섭시킨 후 광자 수 해상도 검출을 수행함으로써 실현된다. 이와 함께 광자 수 기반 상태 번식 기법을 결합함으로써 비가우시안 상태, 예를 들어 압축된 셰르링거 고양이 상태를 생성할 수 있으며, 궁극적으로는 확장 가능하고 고장에 강건한 GKP 상태 준비를 위한 길을 열어 놓는다.

ABSTRACT

Continuous-variable quantum-computing (CVQC) is the most scalable implementation of QC to date but requires non-Gaussian resources to allow exponential speedup and quantum correction, using error encoding such as Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states. However, GKP state generation is still an experimental challenge. We show theoretically that photon catalysis, the interference of coherent states with single-photon states followed by photon-number-resolved detection, is a powerful enabler for non-Gaussian quantum state engineering such as exactly displaced single-photon states and $M$-symmetric superpositions of squeezed vacuum (SSV), including squeezed cat states ($M=2$). By including photon-counting based state breeding, we demonstrate the potential to enlarge SSV states and produce GKP states.

연구 동기 및 목표

• 유니버설 연속변수 양자계산을 위해 필수적인 비가우시안 자원을 생성하는 데 있어 실험적 과제를 해결하기 위해.
• 광자 촉매 작용을 통해 정확한 이동된 단일 광자 상태와 압축된 진공 상태의 M-대칭 초위상 상태를 공학하는 방법을 탐색하기 위해.
• 광자 수 기반 상태 번식을 통해 SSV 상태를 GKP 상태로 확장하는 것이 가능함을 보여주기 위해.
• 결정적인 비가우시안 상태 준비를 통해 연속변수 양자계산(CVQC)에서 고장에 강건한 양자계산을 위한 이론적 길을 확립하기 위해.

제안 방법

• 광자 촉매 작용은 일관된 상태와 단일 광자 포크 상태를 비스킷에서 간섭시킨 후 광자 수 해상도 검출을 수행함으로써 구현된다.
• 측정 결과는 비가우시안 초위상 상태로 시스템을 투사하며, 이는 이동된 단일 광자 상태와 M-대칭 SSV 상태를 포함한다.
• 이 방법은 광자 수 측정의 조건부 성격을 활용하여 가우시안 입력으로부터 조건부로 얽힌 비가우시안 상태를 준비한다.
• 상태 번식은 반복적으로 적용되어 SSV 상태를 확대함으로써 비고전적 성질을 증가시키고 GKP 유사 초위상 상태의 구축을 가능하게 한다.
• 이론적 분석은 광자 촉매 작용과 상태 번식을 반복 적용할 경우 GKP 인코딩에 가까운 상태를 생성할 수 있음을 보여준다.
• 이 접근법은 선형 광학, 광자 수 해상도 검출기, 일관된 상태 입력에 의존하므로 현재의 광학 하드웨어와 호환된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자 촉매 작용을 통해 가우시안 입력으로부터 정확한 이동된 단일 광자 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 압축된 진공 상태의 M-대칭 초위상 상태(예: M=2일 때 압축된 고양이 상태 포함)가 광자 촉매 작용을 통해 결정적으로 준비될 수 있는가?
• RQ3 광자 수 기반 상태 번식을 광자 촉매 작용과 어떻게 조합하여 비가우시안 상태를 GKP 상태로 확장할 수 있는가?
• RQ4 단지 선형 광학과 광자 수 해상도 검출을 사용하여 GKP 상태를 생성하는 데 이론적으로 가능할까?
• RQ5 이 프레임워크는 연속변수 양자계산에서 고장에 강건한 양자계산을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 광자 촉매 작용은 일관된 상태와 단일 광자 상태의 간섭 후 광자 수 해상도 검출을 통해 정확한 이동된 단일 광자 상태를 결정적으로 준비할 수 있다.
• 이 방법은 M-대칭 초위상 상태, 즉 M=2일 때 압축된 고양이 상태를 포함한 압축된 진공 상태의 초위상 상태를 목표 비가우시안 초위상 상태에 높은 정밀도로 생성한다.
• 광자 수 기반의 반복적 상태 번식은 SSV 상태의 확대를 가능하게 하여 비고전적 성질을 증가시키고 GKP 상태 준비로의 전진을 가능하게 한다.
• 이론적 분석은 광자 촉매 작용과 상태 번식의 조합이 GKP 인코딩에 가까운 상태를 생성할 수 있음을 확인하며, 이는 고장에 강건한 양자계산을 위한 핵심 조건이다.
• 제안된 프레임워크는 선형 광학과 현재의 광학 검출 기술의 제약 조건 내에서 작동하며, 비가우시안 자원 상태의 확장 가능한 길을 제공한다.