[논문 리뷰] Quantum computing with distant single photon sources with insurance

Yuan Liang Lim, Almut Beige외 1명|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 06.

Quantum Information and Cryptography인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고도로 얽힌 보조 광자들이 필요로 하지 않는 단일 광자 소스, 선형 광학, 광자 검출기만을 사용하는 보편 양자 계산 체계를 제안한다. 논리적 큐비트를 소스 상태와 생성된 광자 양쪽에 인코딩함으로써, 이슬링 게이트, 클러스터 상태 준비, 텔레포테이션과 함께 보험 기능을 갖춘 양자 파리티 필터링, 그리고 수요에 따라 다중 광자 얽힘을 생성하는 방식을 통해 보편 양자 계산이 가능해진다.

ABSTRACT

We demonstrate the possibility to perform quantum computations using only single photon sources, linear optics elements and photon detectors. In contrast to common linear optics quantum computing proposals, the described scheme can be operated with insurance without relying on highly entangled ancilla photons. Universality is achieved by employing the properties of certain single photon sources, namely the fact that it is possible to encode the logical qubit within the state of a source as well as in the state of the generated photon. The proposed Ising gate allows to build cluster states for one-way quantum computing. Furthermore we describe the implementation of the quantum parity filter, enabling teleportation with insurance, and the generation of multiphoton entanglement on demand.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자 소스, 선형 광학, 광자 검출기만을 사용하는 보편 양자 계산 아키텍처를 개발하는 것.
• 기존 선형 광학 양자 계산 체계에서 일반적으로 요구되는 고도로 얽힌 보조 광자들이 필요로 하지 않도록 하는 것.
• 소스 상태와 방출된 광자 양쪽에 논리적 큐비트를 이중으로 인코딩하여 보편성을 달성하는 것.
• 보험 기능을 갖춘 양자 파리티 필터를 구현하여 고장 내성 양자 텔레포테이션을 실현하는 것.
• 단일 광자 소스와 선형 광학만을 사용하여 요구 시 다중 광자 얽힌 상태를 생성하는 것

제안 방법

• 단일 광자 소스의 양자 상태뿐 아니라 방출된 광자의 상태에도 논리적 큐비트를 인코딩하는 것.
• 단일 광자 소스와 선형 광학 요소를 사용하여 이슬링 게이트를 구현함으로써 클러스터 상태 준비를 위한 얽힘을 생성하는 것.
• 선형 광학과 광자 검출기를 사용하여 양자 파리티 필터를 설계함으로써 보험 기능을 갖춘 텔레포테이션을 가능하게 하는 것.
• 일부 단일 광자 소스의 내재된 특성을 활용하여 요구 시 다중 광자 얽힌 상태를 생성하는 것.
• 이슬링 게이트로 구성된 클러스터 상태를 기반으로 한 웨이브패킷 양자 계산 기반의 보편 양자 계산 프레임워크를 구축하는 것.
• 후행 선택 또는 고정밀도 얽힌 보조 상태에 의존하지 않도록 하여 보편성과 고장 내성을 확보하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 얽힌 보조 광자들이 필요로 하지 않는 단일 광자 소스, 선형 광학, 광자 검출기만을 사용하여 보편 양자 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ2 논리적 큐비트를 소스 상태와 방출된 광자 양쪽에 어떻게 인코딩하여 보편 게이트 연산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 이 스킴에서 이슬링 게이트는 웨이브패킷 양자 계산을 위한 클러스터 상태 구축에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 단일 광자 소스만을 사용하여 어떻게 양자 파리티 필터를 실현하여 보험 기능을 갖춘 텔레포테이션을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 이 프레임워크 내에서 선형 광학과 단일 광자 소스만을 사용하여 요구 시 다중 광자 얽힘 상태를 생성하는 것은 가능한가?

주요 결과

• 이 체계는 고도로 얽힌 보조 광자들이 필요로 하지 않으며, 단일 광자 소스, 선형 광학, 광자 검출기만을 사용하여 보편 양자 계산을 달성한다.
• 이슬링 게이트는 논리적 큐비트의 이중 인코딩을 통해 광자를 얽힘으로써 웨이브패킷 양자 계산에 필요한 클러스터 상태를 구축하는 데 기여한다.
• 보험이 있는 양자 파리티 필터가 성공적으로 구현되어 고장 내성 있는 양자 통신을 위한 텔레포테이션을 가능하게 하였다.
• 단일 광자 소스와 선형 광학 부품만을 사용하여 요구 시 다중 광자 얽힌 상태를 생성할 수 있다.
• 후행 선택이나 고정밀도 보조 상태의 필요성을 제거하여 실험적 구현을 단순화시켰다.
• 소스와 방출된 광자 양쪽에 논리적 큐비트를 이중으로 인코딩함으로써 추가적인 얽힘 자원 없이도 보편 게이트 연산을 가능하게 하였다.