[논문 리뷰] Minimizing resource overhead in fusion-based quantum computation using hybrid spin-photon devices

Stephen C. Wein, Timothée Goubault de Brugière외 4명|arXiv (Cornell University)|2024. 12. 11.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 융합 기반 양자 컴퓨팅에서 자원 과부하를 최소화하기 위해 결정론적 단일 광자 소스와 임bed된 물질 큐비트를 갖춘 하이브리드 스핀-광자 아키텍처를 제안한다. 반복-성공(Repeat-until-Success, RUS) 얽힘 게이트를 활용함으로써, 확률적 대안에 비해 자원 요구량이 수개의 지수만큼 낮아진 24개 광자로 구성된 (2,2)-쇼어 인코딩 6링크 자원 상태를 거의 결정론적으로 생성할 수 있으며, 이는 손실을 크게 줄이고 고장내성 광자 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present three schemes for constructing a (2,2)-Shor-encoded 6-ring photonic resource state for fusion-based quantum computing, each relying on a different type of photon source. We benchmark these architectures by analyzing their ability to achieve the loss tolerance threshold for fusion-based quantum computation using the target resource state. More precisely, we estimate their minimum hardware requirements for fault-tolerant quantum computation in terms of the number of photon sources to achieve on-demand generation of resource states with a desired generation period. Notably, we find that a group of 12 deterministic single-photon sources containing a single matter qubit degree of freedom can produce the target resource state near-deterministically by exploiting entangling gates that are repeated until success. The approach is fully modular, eliminates the need for lossy large-scale multiplexing, and reduces the overhead for resource-state generation by several orders of magnitude compared to architectures using heralded single-photon sources and probabilistic linear-optical entangling gates. Our work shows that the use of deterministic single-photon sources embedding a qubit substantially shortens the path toward fault-tolerant photonic quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 고장내성 광자 양자 컴퓨팅을 위한 주요 장벽인 융합 기반 양자 계산(FBQC)에서의 자원 과부하를 줄이기 위해.
• 복잡한 그래프 상태를 생성할 때 발생하는 확률적 광자 소스와 선형광학적 게이트와 관련된 높은 자원 비용 문제를 해결하기 위해.
• 자기 광자 소스와 하드웨어 구성 요소의 수를 최소화하면서도 7.5%의 높은 손실 내성(7.5%)을 달성하는 아키텍처를 탐색하기 위해.
• 결정론적 단일 광자 소스에 물질 큐비트 자유도를 통합함으로써 고장내성 자원 상태 생성을 위한 필수 하드웨어 규모를 극적으로 감소시킬 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 세 가지의 차별화된 RSG 아키텍처 설계: (1) 경고 또는 결정론적 단일 광자 소스를 사용하는 전적으로 광학적인 아키텍처, (2) 결정론적 캣리펄라 그래프 상태 소스를 사용하는 아키텍처, (3) 반복-성공(RUS) CZ 게이트를 통해 얽힌 다수의 결정론적 소스를 사용하는 아키텍처.
• 고정밀도, 고구분성 단일 광자를 양자점이 포함된 마이크로피라미드 공진기에서 확보함으로써, RUS 염성 게이트를 활용해 광자 큐비트 간 거의 결정론적 얽힘을 달성하기 위해.
• 대규모 다중선택을 피하고 확률적 후처리 단계를 제거함으로써 손실을 줄이는 모듈러형, 확장 가능한 설계 원칙을 적용하기 위해.
• 특히, 목표 자원 상태 생성 주기 달성을 위해 필요한 광자 소수의 수를 기준으로 하드웨어 요구량 최소화를 기준으로 아키텍처를 벤치마킹하기 위해.
• 광자 구분성, 정밀도, 구성 요소 손실 등의 현실적인 제약 조건 하에서 각 아키텍처의 성능을 모델링하고 시뮬레이션하기 위해.
• (2,2)-쇼어 인코딩 6링크 그래프 상태에 초점을 맞추며, 편향 측정과 함께 사용될 경우 7.5%의 손실 내성 임계값을 달성할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임베디드 물질 큐비트 자유도를 갖는 결정론적 단일 광자 소스가 융합 기반 양자 컴퓨팅을 위한 복잡한 광자 자원 상태 생성에서 자원 과부하를 극적으로 줄일 수 있는가?
• RQ2 반복-성공(RUS) 염성 게이트는 확률적 선형광학적 게이트에 비해 하드웨어 효율성과 손실 내성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 24개 광자로 구성된 (2,2)-쇼어 인코딩 6링크 자원 상태를 거의 결정론적으로 생성하기 위해 필요한 최소한의 광자 소수는 몇 개인가?
• RQ4 모듈러형, 결정론적 아키텍처는 광자 양자 컴퓨팅에서 손실이 심한 대규모 다중선택의 필요성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 하이브리드 스핀-광자 장치는 현재의 확률적 접근 방식에 비해 자원 요구량을 수개의 지수만큼 낮추며 고장내성 양자 계산을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 각각 하나의 물질 큐비트 자유도를 갖는 12개의 결정론적 단일 광자 소스가 반복 RUS CZ 게이트를 반복적으로 사용함으로써 목표 (2,2)-쇼어 인코딩 6링크 자원 상태를 거의 결정론적으로 생성할 수 있다.
• 제안된 RUS 기반 아키텍처는 경고 단일 광자 소스와 확률적 선형광학적 염성 게이트를 사용하는 아키텍처에 비해 자원 과부하를 수개의 지수만큼 감소시킨다.
• 이 방법은 대규모 다중선택이 필요로 하지 않으며, 이로 인해 광자 손실이 최소화되고 확장성이 향상된다.
• 이 방법은 완전히 모듈러형이며 재구성 가능하여 고장난 구성 요소를 쉽게 교체하고 다양한 양자 작업에 맞게 동적으로 재구성할 수 있다.
• 현재 최첨단 광자 구분성(>99.5%)과 단일 큐비트 게이트 정밀도(>99.3%)를 기반으로, 24개 광자 자원 상태의 정밀도가 99.95%를 초과하는 것이 가능하다.
• 편향 측정과 결합할 경우 이 아키텍처는 7.5%의 손실 내성 임계값을 달성하며, FBQC 분야에서 알려진 최고의 임계값을 충족시킨다.