[논문 리뷰] Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing

Héctor Bombín, Isaac H. Kim외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 15.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 상호 억제 모듈(하나의 resource-state generator, fusion devices, 그리고 fiber delays)을 사용하여 광자 양자 계산을 확장하는 모듈식 FBQC 아키텍처를 제안하고, fiber memory의 도움으로 표면 코드와 함께 보편적 fault-tolerant 동작을 입증한다.

ABSTRACT

Useful fault-tolerant quantum computers require very large numbers of physical qubits. Quantum computers are often designed as arrays of static qubits executing gates and measurements. Photonic qubits require a different approach. In photonic fusion-based quantum computing (FBQC), the main hardware components are resource-state generators (RSGs) and fusion devices connected via waveguides and switches. RSGs produce small entangled states of a few photonic qubits, whereas fusion devices perform entangling measurements between different resource states, thereby executing computations. In addition, low-loss photonic delays such as optical fiber can be used as fixed-time quantum memories simultaneously storing thousands of photonic qubits. Here, we present a modular architecture for FBQC in which these components are combined to form "interleaving modules" consisting of one RSG with its associated fusion devices and a few fiber delays. Exploiting the multiplicative power of delays, each module can add thousands of physical qubits to the computational Hilbert space. Networks of modules are universal fault-tolerant quantum computers, which we demonstrate using surface codes and lattice surgery as a guiding example. Our numerical analysis shows that in a network of modules containing 1-km-long fiber delays, each RSG can generate four logical distance-35 surface-code qubits while tolerating photon loss rates above 2% in addition to the fiber-delay loss. We illustrate how the combination of interleaving with further uses of non-local fiber connections can reduce the cost of logical operations and facilitate the implementation of unconventional geometries such as periodic boundaries or stellated surface codes. Interleaving applies beyond purely optical architectures, and can also turn many small disconnected matter-qubit devices with transduction to photons into a large-scale quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 광자 아키텍처에서 물리적 큐빗의 매우 큰 수를 필요로 하는 fault-tolerant 양자 컴퓨터의 필요성에 대한 동기를 제시한다.
• 가용 큐빗을 곱하기 위해 RSGs, fusion devices, 그리고 긴 fiber delays를 결합하는 interleaving 모듈을 도입한다.
• interleaving 모듈의 네트워크가 surface codes와 lattice surgery를 이용한 보편적 fault-tolerant 양자 계산을 가능하게 하는 방법을 보여준다.
• fiber 기반 메모리를 포함한 실용적 성능을 입증하고 손실 허용성과 확장성의 이점을 제시한다.
• 비국소 fiber 연결이 비전통적인 기하학과 잠재적 로지컬 연산 비용 감소를 가능하게 하는 방법을 탐구한다.

제안 방법

• long n-delays를 사용하여 fusion-graph 슬라이스 크기를 네트워크의 interleaving을 통해 증가시키는 interleaving 정의
• layered interleaving (k-delay가 활성 큐빗을 k만큼 확장)와 rastered interleaving (L raster 길이, L^2 슬라이스를 L^2 RSG 사이클에서 생성) 두 가지 interleaving 스키마를 기술
• RSG 하나, 다수의 fusion devices, 스위치, 매크로 지연을 포함하는 interleaving 모듈 배열로 구성된 모듈형 하드웨어 아키텍처를 제시
• 6-ring resource states를 사용하여 간단한 입방형 fusion 그래프를 구성하고 이를 interleaving 좌표 (g,t)가 있는 하드웨어 모듈에 매핑
• FBQC를 fault-tolerant surface codes와 lattice surgery에 연결하고 fusion 그래프가 로지컬 연산을 어떻게 구현하는지 설명
• km 규모 fiber delays를 포함한 손실 허용 및 성능에 대한 수치 분석을 제공

실험 결과

연구 질문

• RQ1 fiber delays의 도움을 받아 단일 resource-state generator(RSG)가 정적 물리 큐빗 수 천 개를 에뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 인터리빙 모듈 네트워크가 surface codes와 lattice surgery를 이용한 보편적 fault-tolerant 양자 계산을 가능하게 하는가?
• RQ3 긴 fiber delays와 비국소 연결이 로지컬 연산의 효율성 및 자원 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 인터리빙이 FBQC에서 실제 손실 허용도와 확장성에 미치는 실용적 함의는 무엇인가?
• RQ5 인터리빙 아키텍처가 비전통적 기하학 및 확장된 연결성(예: stellated surface codes)을 수용할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 RSG와 fiber delays는 수천 개의 resource state를 생성하여 fault-tolerant 컴퓨팅을 위한 수천 개의 정적 큐빗을 효과적으로 에뮬레이션할 수 있다.
• 인터리빙 모듈 네트워크는 surface codes와 lattice surgery를 가이드 프로토콜로 사용하여 보편적 fault-tolerant 양자 컴퓨터이다.
• 1-km fiber delays에서 단일 RSG가 코드 거리 35인 로지컬 surface-code 큐빗 약 네 개를 더하고 fiber-delay 손실 외에 광자 손실이 2%를 넘지 않도록 허용한다.
• 인터리빙 방식은 비국소 fiber 연결을 가능하게 하여 로지컬 연산 비용을 줄이고 주기적 경계 및 stellated codes와 같은 비전통적 기하학을 구현할 수 있게 한다.
• Rastered 모듈의 인터리빙 비율은 L^2로 확장되어 공간-시간의 직선형 트레이드오프를 제공한다: 더 많은 로지컬 큐빗은 생성 속도가 느려지거나 같은 큐빗 수에 대해 더 적은 RSG를 사용하는 방식이다.
• 이 프레임워크는 순수 광학을 넘어 전환된 고체 상태 큐빗을 자율 RSG로 활용하는 더 큰 광 네트워크에 적용될 수 있다.