[논문 리뷰] One-hundred step measurement-based quantum computation multiplexed in the time domain with 25 MHz clock frequency

Warit Asavanant, Baramee Charoensombutamon외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 20.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 48인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 25 MHz 클럭 주파수를 사용하는 시간분할 다중화 연속변수 클러스터 상태를 활용해 100단계 측정 기반 양자 계산을 구현한다. 저자들은 스케일러블하고 고장내기 내성인 광학계 양자 계산을 가능하게 하는 프로그래머블 하모다인 측정 시스템을 개발하였으며, 연속변수 시스템에서 관측된 바 있는 가장 큰 다단계 양자 연산을 달성하였다.

ABSTRACT

Among various approaches toward quantum computation, measurement-based quantum computation (MBQC) multiplexed in time domain is currently a promising method for addressing the need for scalability. MBQC requires two components: cluster states and programmable measurements. With time-domain multiplexing, the former has been realized on an ultra-large-scale. The latter, however, has remained unrealized, leaving the large-scale cluster states unused. In this work, we make such a measurement system and use it to demonstrate basic quantum operations multiplexed in the time domain with 25 MHz clock frequency. We verify transformations of the input states and their nonclassicalities for single-step quantum operations and also observe multi-step quantum operations up to one hundred steps.

연구 동기 및 목표

• 연속변수(CV) 광학계에서 스케일러블 측정 기반 양자 계산(MBQC)을 위한 프로그래머블 하모다인 측정 시스템을 개발하기 위해.
• 고속이고 정확하게 동기화된 측정을 통해 시간 영역 다중화(TDM)를 구현하여 MBQC의 스케일러비리티 제약을 극복하기 위해.
• 대규모 MBQC 아키텍처에서 다수의 단계를 거쳐 비고전적 상관관계와 정확한 게이트 연산을 검증하기 위해.
• CV 클러스터 상태와 프로그래머블 측정을 활용한 보편적이고 고장내기 내성 양자 계산의 프로토타입을 구축하기 위해.
• 시간분할 다중화를 사용한 연속변수 시스템에서 100단계에 이르는 다단계 양자 연산의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 10,000모드 및 1,000,000모드의 일차원 클러스터 상태를 활용한 시간분할 다중화 연속변수(CV) 클러스터 상태의 구현.
• 정밀한 동기화가 가능한 25 MHz 클럭 주파수 작동이 가능한 고속 프로그래머블 하모다인 측정 시스템 개발.
• 양자 비분리성 검증을 위한 노르멀라이저 연산자 사용: $\left\langle\Delta^{2}\hat{\delta}_{1}\right\rangle + \left\langle\Delta^{2}\hat{\delta}_{2}\right\rangle \geq |\langle[\hat{\zeta}^{\textrm{A}},\hat{\xi}^{\textrm{A}}]\rangle| + |\langle[\hat{\zeta}^{\textrm{B}},\hat{\xi}^{\textrm{B}}]\rangle|$, 여기서 $\hat{\delta}_{1} = \hat{\zeta}^{\textrm{A}} + \hat{\zeta}^{\textrm{B}}$, $\hat{\delta}_{2} = \hat{\xi}^{\textrm{A}} + \hat{\xi}^{\textrm{B}}$.
• 이중 모드 압축 상태를 입력 및 자원 상태로 사용하며, 이론적 예측에 따르면 $n$단계 이후 변동성의 진동수 변화는 $\left\langle\Delta^{2}\left[\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{x}_{\textrm{out}} + \hat{x}_{\textrm{ref}})\right]\right\rangle = (n+1) \times \frac{\hbar}{2}e^{-2r_{x}}$로 나타난다.
• Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP) 큐비트를 고장내기 내성 인코딩 프레임워크로 사용하며, 보편적 양자 계산을 위한 비가우시안 요소의 실험적 실현.
• 프로그래머블 측정 기저 선택 및 피드포워드 제어를 통한 단일 및 다단계 양자 연산의 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 25 MHz 클럭 주파수에서 작동하는 프로그래머블 하모다인 측정 시스템을 개발하여 연속변수 시스템에서 시간분할 다중화 MBQC의 스케일러비리티를 달성할 수 있는가?
• RQ2 CV MBQC 아키텍처에서 100단계에 걸쳐 비고전적 상관관계와 양자 게이트 연산을 검증할 수 있는가?
• RQ3 시간 영역 다중화를 사용한 연속변수 광학계에서 순차적인 양자 연산의 최대 수는 얼마인가?
• RQ4 노르멀라이저 연산자의 분산은 단계 수가 증가함에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 이론적으로 예측할 수 있는가?
• RQ5 고품질의 클러스터 상태, 프로그래머블 측정, 비가우시안 연산의 조합이 연속변수 시스템에서 고장내기 내성 양자 계산을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 저자들은 연속변수 시스템에서 100단계의 양자 연산을 성공적으로 구현하였으며, 이는 그러한 시스템에서 관측된 바 있는 가장 큰 수치이다.
• 프로그래머블 하모다인 측정 시스템은 25 MHz 클럭 주파수에서 작동하여 시간분할 다중화 MBQC에 필수적인 고속이고 정확한 동기화 측정을 가능하게 한다.
• $n$단계 이후의 노르멀라이저 분산에 대한 이론적 예측이 실험 결과와 일치하며, 분산은 $\hat{x}$-유형의 노르멀라이저에 대해 $(n+1) \times \frac{\hbar}{2}e^{-2r_{x}}$로 선형적으로 증가함을 확인하였다.
• 임의의 선형 조합인 $\hat{x}$ 및 $\hat{p}$ 연산자의 일반화된 비분리성 기준을 사용하여 양자 비분리성을 검증하였다.
• 분리 가능성 부등식 위반을 통한 비고전성 확인으로, 다수의 모드와 단계를 걸쳐 양자 얽힘이 존재함을 입증하였다.
• 연속변수 광학계를 활용한 스케일러블하고 고장내기 내성인 측정 기반 양자 계산의 기능적 프로토타입을 구축하였다.