[논문 리뷰] Switch networks for photonic fusion-based quantum computing

Sara Bartolucci, Patrick M. Birchall외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 28.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 광학 융합 기반 양자 컴퓨팅에서 다중화 효율을 크게 향상시키고 하드웨어 면적을 줄이기 위해 일반화된 막스-젠더 간섭계(GMZIs)를 사용하는 새로운 스위치 네트워크 아키텍처를 소개한다. 시간 다중화, 낮은 깊이의 스위칭, 공유 다중화 전략을 활용함으로써 저자들은 자원 상태 생성에서 최대 5배 높은 수율을 달성하면서도 광학 손실과 활성 스위치 깊이를 최소화하여 확장 가능하고 고장 내성 있는 광학 양자 컴퓨팅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Fusion-based quantum computing (FBQC) offers a powerful approach to building a fault-tolerant universal quantum computer using photonic components -- single-photon sources, linear-optical circuits, single-photon detectors, and optical switching with feedforward control. Both individual optical switches and sophisticated switch networks are needed where it is necessary to perform operations conditionally, using feedforward of previous photon-detection outcomes, within the lifetime of remaining photons. Most visibly, feedforward switching is required for fault-tolerant operations at the level of logical qubits, which are needed in turn for useful quantum algorithms. However, switch networks are also required for multiplexing ("muxing") stages that are needed for generating specific small entangled resource states, where it is used to boost the probabilities for allocating quantum states to fusion gates and other operations -- a task which dominates the footprint of photonic FBQC. Despite their importance, limited attention has been paid to exploring possible designs of switch networks in this setting. Here we present a wide range of new techniques and schemes which enable major improvements in terms of muxing efficiency and reductions in hardware requirements. Since the use of photonic switching heavily impacts qubit losses and errors, our schemes are constructed with low switch depth. They also exploit specific features of linear-optical circuits which are commonly used to generate entanglement in proposed quantum computing and quantum network schemes.

연구 동기 및 목표

• 광학 융합 기반 양자 컴퓨팅(FBQC)에서 자원 상태 생성에 사용되는 비효율적이고 면적을 많이 차지하는 스위치 네트워크로 인한 핵심적 제약을 해결하기 위해.
• 최소한의 스위치 깊이와 높은 다중화 효율성을 갖춘 스위치 네트워크 설계를 통해 광학 양자 컴퓨터의 하드웨어 면적과 광학 손실을 줄이기 위해.
• 확장 가능하고 고장 내성 있는 양자 계산을 가능하게 하기 위해 확률적 단일 광자 소스 및 얽힘 생성 회로에 대한 다중화 전략을 개선하기 위해.
• 루팅에 시간을 자유도로 활용하여 더 적은 물리적 자원과 낮은 활성 제어 복잡도로 더 높은 수율을 달성하기 위해.
• 스위치 네트워크가 루팅 이외에도 하드웨어 부트캠프 및 느린 구성 요소를 우회하는 데에도 활용될 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 모든 순열 연산을 최소한의 위상 시프터 깊이로 지원하는 일반화된 막스-젠더 간섭계(GMZIs) 기반 스위치 네트워크 설계.
• 일단 및 이중층 MZI 네트워크를 사용하여 광자를 목표 시간-공간 모드로 높은 확률로 루팅함으로써 입력 광자 패턴의 효율적 다중화를 가능하게 한다.
• 시간 다중화된 래스터링 전략을 도입하여 목표 성공 확률을 유지하면서도 출력 광자의 수와 동일한 요소만큼 필요한 소스 수를 줄인다.
• 단일 다중화 장치가 동시에 여러 얽힘 생성 회로를 지원하는 공유 다중화 아키텍처를 구현하여 총 수율을 증가시킨다.
• 스위치 동작을 순서화하기 위해 데 브뤼인 유형의 지연 네트워크를 적용하여 난이도 있는 다중화 대비 최대 6배 더 많은 사용 가능한 입력 패턴을 확보한다.
• GMZI 기반 다중화 장치에 제어 가능한 스왑과 시간 인코딩을 통합하여 비표준 얽힌 상태를 복구하고 루팅의 유연성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 FBQC에서 스위치 깊이와 광학 손실을 최소화하면서 다중화 효율을 극대화하기 위해 스위치 네트워크는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 시간 다중화된 낮은 깊이의 스위치 네트워크를 사용할 경우 자원 상태 생성에서 달성 가능한 최대 수율 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 공유 다중화 전략은 얽힘 생성의 성공률을 유지하거나 향상시키면서도 하드웨어 면적을 줄일 수 있는가?
• RQ4 시간 다중화 네트워크에서 래스터링 및 순차적 스위칭은 사용 가능한 입력 광자 패턴의 수를 어느 정도 증가시킬 수 있는가?
• RQ5 GMZI 기반 스위치 네트워크는 단순 순열 스위치에 비해 필요한 위상 시프터 깊이와 운영 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 스위치 네트워크는 표준 $4\times N/4$-to-1 다중화 전략에 비해 자원 상태 생성에서 최대 5배 높은 수율을 달성하며, 특히 저경보 확률($p=0.03$)에서 두드러진다.
• 시간 다중화된 래스터링 전략은 출력 광자의 수와 동일한 요소만큼 필요한 소스 수를 줄여 하드웨어 비용을 크게 낮춘다.
• 단일층 MZI 네트워크는 무작위로 생성된 벨 상태를 사전 할당된 출력 모드 번들로 루팅하는 데 70% 이상의 성공률을 기록하며, 이중층을 사용할 경우 100% 성공률을 달성한다.
• 새로운 다중화 설계는 스판케 네트워크보다 4배에서 6배 더 작지만 동일한 활성 스위치 깊이를 유지하여 면적을 극적으로 줄였다.
• 스위치 네트워크에 래스터링을 통합함으로써 이상적인 효율이 달성되어 사용되지 않는 입력 패턴의 낭비가 제거된다.
• 위상 스윙 요구 사항을 감소시킨(GMZI) 구현은 더 컴act하고 에너지 효율적인 스위치 설계를 가능하게 한다.