[논문 리뷰] Nonlocal photonic quantum gates over 7.0 km

Xiao Liu, Xiao‐Min Hu외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 28.

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광자 큐비트, 다중분할된 양자 메모리, 현장에 설치된 광섬유를 사용하여 도시 규모의 거리인 7.0 km에서 첫 번째 분산 양자 계산 네트워크를 구현한다. 비국소적 광자 양자 게이트를 양자 게이트 텔레포테이션과 능동 피드포워드 제어를 통해 구현함으로써, 저원격 노드 간에 높은 정밀도로 Deutsch-Jozsa 및 양자 위상 추정 알고리즘을 실행하며, 확장 가능한 대규모 양자 네트워크로 향하는 중요한 단계를 마련한다.

ABSTRACT

Quantum networks provide a prospective paradigm to connect separated quantum nodes, which relies on the distribution of long-distance entanglement and active feedforward control of qubits between remote nodes. Such approaches can be utilized to construct nonlocal quantum gates, forming building blocks for distributed quantum computing and other novel quantum applications. However, these gates have only been realized within single nodes or between nodes separated by a few tens of meters, limiting the ability to harness computing resources in large-scale quantum networks. Here, we demonstrate nonlocal photonic quantum gates between two nodes spatially separated by 7.0 km using stationary qubits based on multiplexed quantum memories, flying qubits at telecom wavelengths, and active feedforward control based on field-deployed fibers. Furthermore, we illustrate quantum parallelism by implementing the Deutsch-Jozsa algorithm and the quantum phase estimation algorithm between the two remote nodes. These results represent a proof-of-principle demonstration of quantum gates over metropolitan-scale distances and lay the foundation for the construction of large-scale distributed quantum networks relying on existing fiber channels.

연구 동기 및 목표

• 단일 노드 양자 시스템의 거리 및 연결성 제한을 극복하여 확장 가능한 분산 양자 계산을 가능하게 하기 위해.
• 기존 광섬유 인프라를 사용해 장거리에서 비국소적 양자 게이트를 구현하는 데 도전하는 데 목적이 있다.
• 7.0 km 떨어진 두 개의 원격 노드 간에 높은 정밀도로 Deutsch-Jozsa 및 양자 위상 추정 알고리즘을 실행하는 데 목적이 있다.
• 현장에 설치된 광섬유, 통신 대역 파장의 비행 큐비트, 장수명 양자 메모리를 사용하여 대규모 양자 네트워크의 실현 가능성을 검증하는 데 목적이 있다.
• 기본적인 통신과 능동 피드포워드를 활용한 비국소적 게이트 작동을 위한 미래의 양자 네트워크를 위한 실용적 프레임워크를 수립하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 주기적으로 도핑된 LiNbO3(PPLN) 웨이브가이드에서 자발적 비선형 다운컨버전을 통해 생성된 펄스형 비일치 엔트레인지드 광자 쌍을 사용한다.
• 냉각된 진동 차단 쿠로스타트를 사용한 $^{153}$Eu$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ 결정 기반 양자 메모리에 580-nm 광자를 저장한다.
• 7.0 km 거리의 원격 노드로 현장에 설치된 단일 모드 광섬유를 통해 1537-nm 광자를 비행 큐비트로 전송한다.
• 제어 큐비트와 타겟 큐비트를 위상 자유도(DOF)에 인코딩하며, 국소적 이중 큐비트 게이트는 위상과 경로 DOF 간에 구현한다.
• 측정 결과에 기반해 조건부로 작동을 적용하기 위해 전용 광섬유 채널을 통한 고전적 통신을 통해 능동 피드포워드 제어를 적용한다.
• 고정밀도 상태 준비 및 측정을 위해 시간 동기화 시스템(TSS), 초도체 나노와이어 단광자 탐지기(SNSPDs), 시간-디지털 변환기(TDCs)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 현장에 설치된 광섬유를 사용해 광자 큐비트와 양자 메모리를 활용해 7.0 km 거리에서 비국소적 양자 게이트를 신뢰성 있게 구현할 수 있는가?
• RQ2 Deutsch-Jozsa 및 양자 위상 추정과 같은 분산 양자 알고리즘을 이러한 장거리에서 고정밀도로 실행할 수 있는가?
• RQ3 고전적 통신에 기반한 능동 피드포워드 제어가 실제 광섬유 네트워크에서 결정적인 비국소적 게이트 작동을 얼마나 효과적으로 가능하게 하는가?
• RQ4 통신 대역 파장의 비행 큐비트와 다중분할된 양자 메모리의 조합이 얽힘 유지 및 장거리 양자 계산을 위한 효율성을 얼마나 높이는가?
• RQ5 현행 아키텍처가 기존 광섬유 인프라를 활용해 미래의 대규모 양자 계산 네트워크를 위한 확장 가능한 기초로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• Deutsch-Jozsa 알고리즘에서 상수 함수와 균형 함수를 식별하는 데 1회 실행당 한 번의 측정만으로도 91%를 초과하는 정밀도를 달성했다.
• 양자 위상 추정 알고리즘은 네 가지의 서로 다른 위상 이동(φ = 0, π/2, 5π/4, 3π/2)에 대해 성공적으로 실행되었으며, 이론적 이진 전개에서 모든 세 번의 반복이 정확히 위상 비트를 측정했다.
• 원자 주파수 조합(AFC) 메모리를 사용해 $^{153}$Eu$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ 결정에서 얽힘 저장 시간이 80.315 μs 유지되었으며, 동시성 카운트는 배경 노이즈를 100배 감소시켰다.
• 양자 게이트 텔레포테이션을 통해 비국소적 CNOT 유사 게이트를 시스템이 실현했으며, 고전적 통신 지연은 능동 피드포워드 제어를 통해 보상되었다.
• 7.0 km 거리의 현장에 설치된 광섬유를 사용함으로써 저손실 및 고시야도를 유지한 안정적인 운영이 가능했으며, 아키텍처의 확장 가능성을 검증했다.
• 장수명의 다중분할된 양자 메모리와 통신 대역 파장의 광자 인터페이스가 장거리 분산 양자 계산에 실현 가능하다는 것이 결과적으로 확인되었다.