[논문 리뷰] Multi-qubit time-bin quantum RAM

E. S. Moiseev, S. A. Moiseev|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 08.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 제어용 삼준태원자와 두 개의 결합된 QED 공진자에서 인덕성 일치된 광학 에코 양자 메모리(quantum memory)를 이용한 컴act하고 다중 큐비트 양자 랜덤 액세스 메모리(qRAM)를 제안한다. 이 방법은 시간-빈 주소 지정을 통해 효율적이고 가역적인 단일 광자 저장 및 회수를 가능하게 하며, 광학 분자에서의 협업도가 1일 때 최대 효율을 달성한다. 이 조건은 현재의 광학 및 마이크로파 기술로 실현 가능하다.

ABSTRACT

We have proposed a scheme of multi-qubit extit{quantum random access memory} (qRAM) based on the impedance matched photon echo quantum memory incorporated together with the control three-level atom in two coupled QED cavities. A set of matching conditions for basic physical parameters of the qRAM scheme that provides an efficient quantum control of the fast single photon storage and read-out has been found. In particular, it was found that the qRAM operation is determined by the properties of the photonic molecular realized in the qRAM dynamics. Herein, the maximal efficiency of the qRAM is achieved when the cooperativety parameter of the photonic molecular equals to unity that can be easily experimentally implemented. The quantum address of the stored photonic qubits can be put into practice when the address is encoded in photonic multi-time-bin state. We discuss the advantages of the qRAM in terms of working with multi-qubit states and the implementation by current quantum technologies in the optical and microwave domains.

연구 동기 및 목표

• 유니버설 양자 계산 및 통신을 위한 확장 가능하고 컴팩트한 qRAM 아키텍처를 설계하기 위해.
• 버킷 브리게이드 qRAM 아키텍처의 한계를 극복하기 위해 단일 장치에서의 구현과 다중 큐비트 저장을 가능하게 하기 위해.
• 인덕성 일치된 광학 에코 양자 메모리를 이용해 고효율, 가역적인 광자 저장 및 회수를 달성하기 위해.
• 제어 원자의 초위상 상태에서의 다중 시간-빈 인코딩을 통해 광자 큐비트의 양자 주소 지정을 가능하게 하기 위해.
• 현재의 양자 기술로 실현 가능한 실험적 물리적 매개변수를 규명하기 위해.

제안 방법

• 들어오는 광자를 스위칭하기 위해 제어용 삼준태원자를 사용하는 두 개의 결합된 QED 공진자 구조를 활용한다.
• 비균일한 넓이를 가진 원자 집합에서의 광학 에코 양자 메모리를 사용해 다중 모드, 다중 큐비트 저장을 실현한다.
• 인덕성 일치 조건(C_QT = 1 및 식 (7), (8))을 적용하여 광역 스펙트럼 창에서 넓은 대역폭과 고효율의 광자 저장 및 회수를 보장한다.
• 제어 원자와 원자 집합이 형성하는 광학 분자를 양자 제어 요소로 사용하며, 최적의 성능은 협업도가 1일 때 달성된다.
• 제어 원자를 공진 상태(전달)와 비공진 상태(차단)의 초위상 상태로 준비함으로써 양자 주소를 시간-빈 인코딩으로 적용한다.
• unitary 진화에 의존하여 입력 광자 상태와 저장된 다중 큐비트 상태를 일관적으로 얽히게 하여 초위상 접근을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 양자 하드웨어로 실현 가능한 단일 컴팩트 장치에서 다중 큐비트 qRAM을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ2 시간-빈 주소 지정된 qRAM에서 광자 저장 및 회수의 효율을 극대화하는 물리적 조건은 무엇인가?
• RQ3 QED 공진자 내의 제어 원자가 단일 광자 전송을 위한 가역 스위치로 작용할 수 있는가?
• RQ4 다중 시간-빈 인코딩을 통해 광자 큐비트의 양자 주소 지정은 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ5 광학 또는 마이크로파 영역에서 이러한 qRAM을 실현하기 위한 실험적으로 실현 가능한 매개변수는 무엇인가?

주요 결과

• qRAM의 최대 효율은 광학 분자의 협업도 파라미터가 1일 때 달성되며, 이 조건은 실험적으로 접근 가능하다.
• 인덕성 일치 조건(C_QT = 1 및 식 (7), (8))은 넓은 스펙트럼 창에서 광역 대역폭과 고효율의 광자 저장 및 회수를 보장한다.
• qRAM 작동은 순수한 unitary 진화에 기반하며, M개의 이광자 상태 초위상의 조합을 생성하여 일관적인 다중 큐비트 액세스를 가능하게 한다.
• 이 방법은 환경의 자유도와 얽힌 상태를 포함한 메모리의 임의의 초기 양자 상태를 지원한다.
• 빛-원자 상호작용의 시간 역전 대칭성 덕분에 가역적인 양자 주소 지정이 가능해, 일관된 방식으로 저장 및 회수가 가능하다.
• 제안된 아키텍처는 초전도 큐비트 및 NV 중심, 양자점과 같은 고체 상태 발광체를 포함한 기존의 회로 및 공진자 QED 플랫폼과 호환된다.