[논문 리뷰] Photonic fusion of entangled resource states from a quantum emitter

Yijian Meng, Carlos F. D. Faurby외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 14.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고체 상태 양자 발산체를 이용해 생성된 광학 얽힌 자원 상태의 첫 실험적 융합을 보여주며, 스핀-광자 인터페이스를 통해 거의 결정적인 얽힘 생성과 확률적 광학 융합 게이트를 가능하게 한다. 주요 결과는 ZZ에 대해 18(3)%, XX에 대해 31(2)%, YY에 대해 33(2)%의 측정된 허상도를 기록하여 융합 기반 광학 양자 컴퓨팅의 확장 가능한 길을 검증한다.

ABSTRACT

Fusion-based photonic quantum computing architectures rely on two primitives: i) near-deterministic generation and control of constant-size entangled states and ii) probabilistic entangling measurements (photonic fusion gates) between entangled states. Here, we demonstrate these key functionalities by fusing resource states deterministically generated using a solid-state spin-photon interface. Repetitive operation of the source leads to sequential entanglement generation, whereby curiously entanglement is created between the quantum states of the same spin at two different instances in time. Such temporal multiplexing of photonic entanglement provides a resource-efficient route to scaling many-body entangled systems with photons.

연구 동기 및 목표

• 단일 양자 발산체에서 생성된 얽힌 자원 상태 간의 광학 융합을 실험적으로 구현하는 것.
• 결정적인 자원 상태 생성과 확률적 융합 게이트를 활용한 융합 기반 양자 컴퓨팅(FBQC)의 실현 가능성을 검증하는 것.
• 스핀 상태 상관관계를 통해 광학 융합 작업의 성능을 평가하고, 내재된 게이트 허상도의 대체 지표를 제공하는 것.
• 융합 과정에서 주요한 노이즈 원인, 특히 스핀 노이즈를 규명하고 향후 향상 방향을 제시하는 것.

제안 방법

• 균열 없는 GaAs 드롭렛 에pitaxial 양자점 기반 고체 상태 스핀-광자 인터페이스를 사용하여 거의 결정적인 광학 벨 상태를 생성하였다.
• 동일한 발산체에서 발생한 광자를 다른 발산 주기 동안 지연시켜 시간 다중화를 이용한 시간적 융합을 실현하였다.
• 성공 확률 50%인 선형 광학 벨 상태 분석기를 구현하여 광학 융합 측정을 수행하였다.
• 융합 결과에 조건화된 동시 스핀 상관관계를 측정하여 광학 융합 게이트의 허상도와 오류율을 유추하였다.
• 스핀 큐비트 독출을 통해 융합 결과의 허상도를 점검하였으며, 스핀 오류를 내재된 광학 게이트 오류의 상한선으로 간주하였다.
• 보조 분석을 통해 노이즈 기여도를 분석하였고, 핵 스핀 노이즈가 시스템의 주요 오류 원인임을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 다중화를 활용해 단일 양자 발산체에서 생성된 얽힌 자원 상태 간의 광학 융합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 스핀 상태 상관관계를 통해 평가했을 때 광학 융합 게이트의 허상도와 오류율은 얼마인가?
• RQ3 내재된 스핀 노이즈와 배경 광자들이 광학 네트워크 내 융합 작업 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 특히 핵 스핀 노이즈를 감소시킴으로써 융합 작업의 오류율을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 이 접근 방식은 소수의 물리적 자원으로도 확장 가능한 자원 효율적인 융합 기반 광학 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는가?

주요 결과

• ψ⁺ 결과에 대해 ZZ 스핀 상관관계 허상도는 18(3)%로 측정되었으며, ψ⁻ 결과에선 19(2)%로 나타나 고정밀도 얽힘 전달이 이루어졌음을 확인하였다.
• ψ⁺에 대해 XX 및 YY 오류율은 각각 31(2)%과 33(2)%로 측정되었으며, ψ⁻에선 둘 다 33(2)%로 결과 간 일관성 있는 성능을 보였다.
• 융합 실패 사건(ϕ±)은 ZZ 오류율이 32(4)%로 높았으며, 주로 잔류 배경 광자 때문이었다.
• 연구는 스핀 노이즈가 오류 예산에서 주요 기여 요소임을 규명하였으며, 향상된 스핀 시스템을 통해 오류율을 크게 감소시킬 수 있음을 시사하였다.
• 결정적인 자원 상태 생성과 광학 융합의 조합을 통해 고장 내성 광학 양자 컴퓨팅으로 향하는 실현 가능한 길을 제시하였다.
• 반복적인 융합 작업을 통해 수십에서 수백 개의 양자 발산체만으로도 확장 가능한 양자 네트워크를 실현할 수 있음을 보였다.