[논문 리뷰] Single-shot deterministic entanglement between non-interacting systems with linear optics

Leigh S. Martin, K. Birgitta Whaley|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 29.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 선형 광학과 실시간 피드백을 사용하여 상호작용이 없는 양자 시스템을 위한 단일 스탑, 결정론적 얽힘 프로토콜을 제안한다. 이는 100% 성공 확률을 달성한다. 광자 수세기 또는 동조 검출을 사용하고 국소적으로 최적화된 피드백 제어를 통해, 표준 화성 프로토콜의 50% 성공 한계를 초월하며, 손실과 지연 조건에서도 높은 허상도를 유지한다. 이는 모듈러 양자 계산 및 하이브리드 양자 시스템에 적용 가능하다.

ABSTRACT

Measurement-based heralded entanglement schemes have served as the primary link between physically separated qubits in most quantum information platforms. However, the impossibility of performing a deterministic Bell measurement with linear optics bounds the success rate of the standard protocols to at most 50%, which means that the entanglement of the unheralded state is zero. Here we show that the ability to perform feedback during the measurement process enables unit success probability in a single shot. Our primary feedback protocol, based on photon counting retains the same robustness as the standard Barrett-Kok scheme, while doubling the success probability even in the presence of loss. In superconducting circuits, for which homodyne detectors are more readily available than photon counters, we give another protocol that can deterministically entangle remote qubits given existing parameters. In constructing the latter protocol, we derive a general expression for locally optimal control that applies to any continuous, measurement-based feedback problem.

연구 동기 및 목표

• 선형 광학과 단일 광자 검출에 기반한 표준 화성 얽힘 프로토콜의 기본적인 50% 성공률 한계를 극복한다.
• 스케일업 가능한 양자 계산을 위해, 트랩된 이온, 초전도 큐비트 또는 양자 점과 같은 비상호작용 또는 원거리에 있는 양자 시스템 간의 결정론적 얽힘을 가능하게 한다.
• 실제 실험적 비완전성, 즉 손실, 피드백 지연, 경로 길이 변동 등에 대해 높은 허상도와 강건성을 유지하는 피드백 기반 프로토콜을 개발한다.
• 측정 기반 연속 양자 제어 문제에 대해 국소적으로 최적화된 피드백 제어의 일반적 프레임워크를 제공하며, 특정 얽힘 프로토콜을 초월한 응용 가능성을 갖는다.
• 현재 고속 광자 수세기가 아직 확보되지 않은 초전도 회로에서 동조 검출을 사용하여 결정론적 얽힘을 실현한다.

제안 방법

• 빔 스플리터와 광자 수세기를 통해 벨 상태 측정 후 원자 큐비트 상태에 대한 실시간 피드백을 적용하는 광자 수세기 기반 프로토콜을 구현한다.
• 측정의 반작용과 노이즈를 고려하여 얽힘 허상도를 최대화하기 위해 일반화된 제어 프레임워크에서 유도된 국소적으로 최적화된 피드백 해밀토니안을 적용한다.
• Zhang 등(2018)의 국소적으로 최적화된 피드백 형식을 다중 비환류 피드백 해밀토니안과 1차 지연 보정을 포함하도록 확장한다.
• 측정의 반작용과 시간 지연된 의존성을 포함한, 상관 노이즈 항을 포함한 확률적 마스터 방정식을 사용하여 동역학을 모델링한다.
• 순간적 및 지연된 측정 결과를 모두 고려한 국소적으로 최적화된 피드백 제어 법칙의 닫힌 형태 표현을 유도한다.
• 광자 손실, 손실 비대칭성, 경로 길이 변동, 푸르셀 강화 캐비티 등을 포함한 현실적인 조건에서 수치 시뮬레이션을 통해 프로토콜을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비상호작용 큐비트 간의 결정론적 얽힘은 선형 광학과 실시간 피드백만으로도 달성 가능한가? 이는 표준 화성 방법의 50% 성공 한계를 우회하는가?
• RQ2 피드백 지연은 측정 기반 얽힘 프로토콜의 허상도와 성공 확률에 어떤 영향을 미치는가? 이를 보완하기 위해 최적의 피드백을 유도할 수 있는가?
• RQ3 현재 실험적 조건에서 초전도 회로에서 광자 수세기의 대안으로 동조 검출을 사용하여 결정론적 얽힘을 달성할 수 있는가?
• RQ4 비환류 작용과 시간 지연를 고려한 연속 측정 기반 양자 제어 문제에 대해 국소적으로 최적화된 피드백 해밀토니안의 일반적 형태는 무엇인가?
• RQ5 손실, 경로 길이 변동, 비마르코프 효과와 같은 실험적 비완전성이 제안된 피드백 프로토콜의 성능을 어느 정도 악화시키는가?

주요 결과

• 이론적 조건에서 광자 수세기 기반 프로토콜은 단일 스탑에서 100% 성공 확률을 달성하며, 표준 화성 방법의 50% 한계를 초월한다.
• 실제 손실과 경로 길이 변동 조건에서도 높은 허상도를 유지하며, 일반적인 실험적 파rameter 영역에서는 허상도에 눈에 띄는 악화가 없다.
• 피드백 지연에 대해 중간 정도의 강건성을 유지하며, 성공 확률은 감소하지만 허상도는 유지된다. 국소적으로 최적화된 피드백 법칙은 지연에 대해 1차로 유도되었다.
• 초전도 회로에서는 광자 수세기 대비 손실에 덜 강건하지만, 동조 검출 기반 프로토콜이 현재 실험적 조건에서 결정론적 얽힘을 가능하게 한다.
• 다중 비환류 해밀토니안과 1차 지연 보정을 고려한 연속 측정 기반 피드백 문제에 대해 국소적으로 최적화된 피드백 제어의 일반적 닫힌 형태 표현을 유도하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 손실 비대칭성과 푸르셀 캐비티에서 발생하는 비마르코프 효과를 포함한 다양한 비완전성 조건에서도 피드백 프로토콜이 높은 얽힘 허상도를 유지함을 확인하였다.