[논문 리뷰] Propagating Gottesman-Kitaev-Preskill states encoded in an optical oscillator

Shunya Konno, Warit Asavanant외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 05.

Photonic and Optical Devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 손실 보정 없이 동기 측정를 사용하여 통신 파장에서 연속 체계에서 전파되는 고트스만-키타에프-프레스킬(GKP) 큐비트의 첫 실험적 실현을 보여주며, 스케일러블하고 섬유 호환 가능한 플랫폼에서 비고전적이고 비가우시안 성질을 달성하여 선형 광학과 양자 텔레포테이션을 통한 고장 내성 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A quantum computer with low-error, high-speed quantum operations and capability for interconnections is required for useful quantum computations. A logical qubit called Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) qubit in a single Bosonic harmonic oscillator is efficient for mitigating errors in a quantum computer. The particularly intriguing prospect of GKP qubits is that entangling gates as well as syndrome measurements for quantum error correction only require efficient, noise-robust linear operations. To date, however, GKP qubits have been only demonstrated at mechanical and microwave frequency in a highly nonlinear physical system. The physical platform that naturally provides the scalable linear toolbox is optics, including near-ideal loss-free beam splitters and near-unit efficiency homodyne detectors that allow to obtain the complete analog syndrome for optimized quantum error correction. Additional optical linear amplifiers and specifically designed GKP qubit states are then all that is needed for universal quantum computing. In this work, we realize a GKP state in propagating light at the telecommunication wavelength and demonstrate homodyne meausurements on the GKP states for the first time without any loss corrections. Our GKP states do not only show non-classicality and non-Gaussianity at room temperature and atmospheric pressure, but unlike the existing schemes with stationary qubits, they are realizable in a propagating wave system. This property permits large-scale quantum computation and interconnections, with strong compatibility to optical fibers and 5G telecommunication technology.

연구 동기 및 목표

• 전파되는 광장에서 GKP 큐비트를 실현하여 확장 가능하고 상호연결 가능한 양자 계산을 가능하게 하기.
• 실온 및 대기압 조건에서 연속 체계에서 GKP 상태의 비고전적이고 비가우시안 성질을 실험적으로 보여주기.
• GKP 인코딩 큐비트에서 심호 및 오류 보정을 위한 심호 측정과 오류 보정을 위한 선형 광학 연산 및 양자 텔레포테이션의 타당성 검증하기.
• 스테이블라이저 기준을 사용하여 GKP 상태의 비고전성과 비가우시안성을 실험적 기준으로 정량화하기
• 대규모 양자 네트워크를 위한 기존의 광섬유 및 5G 통신 인프라와의 호환성 확보하기.

제안 방법

• 압축된 빛과 이동 연산의 조합을 사용하여 단일 광 모드에 GKP 상태를 인코딩하여 복사 공간에서 주기적인 격자 구조를 생성하기.
• 손실이 없는 고효율 검출 장치에서 인코딩된 GKP 상태에 대한 동기 측정를 수행하여 양자 오류 보정을 위한 전체 아날로그 심호를 추출하기.
• 비고전성과 비가우시안성을 정량화하기 위해 스테이블라이저 기반 기준을 적용하여 실험 결과를 고전적 및 가우시안 한계와 비교하기.
• 벨 측정 및 피드포워드 이동을 사용한 양자 텔레포테이션 프로토콜을 적용하여 논리 연산 및 오류 복구를 수행하기.
• 측정된 상태의 비고전적 및 비가우시안 특성을 정확히 평가하기 위해 가우시안 연산에 의한 위그너 함수 보정 수행하기.
• GKP 상태 준비를 위한 필요한 압축된 상태와 이동 연산을 생성하기 위해 비선형 오실레이터 설정을 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손실 보정 없이 통신 파장에서 전파되는 광장에서 GKP 큐비트가 성공적으로 인코딩되고 측정될 수 있는가?
• RQ2 기본 기준에 따라 실험적으로 생성된 GKP 상태가 비고전적이고 비가우시안 성질을 갖는가?
• RQ3 측정된 스테이블라이저 값이 고전적 및 가우시안 한계를 얼마나 초월하는가? 이는 진정한 양자 우월성을 나타내는가?
• RQ4 선형 광학 연산과 양자 텔레포테이션을 통해 GKP 인코딩 큐비트의 심호 측정 및 오류 보정을 효과적으로 수행할 수 있는가?
• RQ5 광학 플랫폼이 기존의 광섬유 및 5G 통신 기술과의 호환성을 갖추고 있어 대규모 양자 네트워크를 위한 확장 가능한 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 통신 파장에서 전파되는 광장에서 GKP 상태를 성공적으로 생성하고 측정하였으며, 실온 및 대기압 조건에서 비고전성과 비가우시안성을 입증하였다.
• $ C_1(g) $의 측정된 스테이블라이저 값은 고전적 및 가우시안 한계를 초월하여 상태의 진정된 비가우시안 성격을 확인하였다.
• $ C_2(g) $의 경우 고전적 한계는 위반되었지만 가우시안 한계는 초과하지 않았으며, 이는 상태가 비고전적이지만 강한 비가우시안 특성을 갖지 않는다는 것을 나타낸다.
• $ ilde{C}_{1, ext{cl}} = ext{exp}(- ext{π}) $의 최대값을 초월하여 고전적 범위를 넘는 비고전성을 확인하였다.
• 결과는 GKP 상태가 실험 조건에서 강건하며 선형 광학 연산과 호환되어 고장 내성 양자 계산을 가능하게 한다는 것을 보여주었다.
• 이 작업은 GKP 큐비트를 위한 스케일러블하고 섬유 호환 가능한 플랫폼을 구축하여 대규모 양자 계산 및 광학 네트워크 내 상호연결을 위한 길을 열었다.