[논문 리뷰] Unconditional measurement-based quantum computation with optomechanical continuous variables

Oussama Houhou, Darren W. Moore외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 25.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 선형 및 이차 광기계 결합을 통합한 광기계 시스템을 사용하여 연속 변수 측정 기반 양자 계산을 위한 결정론적이고 조건 없는 접근법을 제안한다. 드라이브된 소산 동역학을 활용한 캐비티 광기계 플랫폼에서, 저자들은 비가우시안 클러스터 상태—특히 입방형 위상 상태—의 결정론적 준비를 입증하고, 연속적인 출력 필드 모니터링을 통해 임의의 가우시안 측정을 수행할 수 있음을 보이며, 현재 기술 수준에서 실현 가능한 보편적 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Universal quantum computation encoded over continuous variables can be achieved via Gaussian measurements acting on entangled non-Gaussian states. However, due to the weakness of available nonlinearities, generally these states can only be prepared conditionally, potentially with low probability. Here we show how universal quantum computation could be implemented unconditionally using an integrated platform able to sustain both linear and quadratic optomechanical-like interactions. Specifically, considering cavity opto- and electro-mechanical systems, we propose a realisation of a driven-dissipative dynamics that deterministically prepares the required non-Gaussian cluster states -- entangled squeezed states of multiple mechanical oscillators suitably interspersed with cubic-phase states. We next demonstrate how arbitrary Gaussian measurements on the cluster nodes can be performed by continuously monitoring the output cavity field. Finally, the feasibility requirements of this approach are analysed in detail, suggesting that its building blocks are within reach of current technology.

연구 동기 및 목표

• 연속 변수 양자 계산에서 비가우시안 상태 준비의 주요 장벽인 확률적 준비 방식을 극복하기 위해.
• 오직 가우시안 연산과 결정론적 상태 준비만을 사용하여 보편적 양자 계산을 가능하게 하기 위해.
• 이차 광기계 결합을 갖는 광기계 시스템이 보편적 측정 기반 양자 계산을 위한 확장 가능하고 통합된 플랫폼이 될 수 있음을 보여주기 위해.
• 소산 공 ing 기법과 연속 모니터링을 통해 비가우시안 클러스터 상태와 가우시안 측정이 모두 조건 없이 실행될 수 있음을 보여주기 위해.
• 실제 파rameter 분석을 통해 타당성을 확립하고, 열 노이즈 및 유한한 압축 조건 하에서도 높은 허상도 유지 가능성을 보여주기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 다중 톤 고전적 드라이브를 사용한 드라이브된 소산 광기계 시스템을 활용하여 효과적인 비선형 동역학을 설계한다.
• 캐비티 모드의 단서적 제거를 통해 기계 진동자의 동역학을 지배하는 효과적 마스터 방정식을 유도한다.
• 비가우시안 클러스터 상태를 안정 상태로 준비하는 소산 프로토콜을 설계하며, 이는 얽힌 압축 상태와 입방형 위상 상태를 포함한다.
• 클러스터 노드에 대한 임의의 가우시안 측정을 수행하기 위해 출력 캐비티 필드의 연속 모니터링을 사용한다.
• 옵티컬 메커니컬 결합을 동적으로 제어하고 목표 비가우시안 자원 상태로 시스템을 이끌기 위해 스위칭 프로토콜을 적용한다.
• 자르개된 포크 기반 수치 시뮬레이션을 통해 기술을 검증하며, 열 노이즈와 유한한 압축 조건 하에서의 허상도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보편적 측정 기반 양자 계산을 위해 필요한 비가우시안 클러스터 상태가 연속 변수 시스템에서 결정론적으로 준비될 수 있는가?
• RQ2 이차 광기계 결합을 갖는 광기계 시스템이 후처리 선택 없이 이러한 상태를 조건 없이 준비할 수 있는가?
• RQ3 이 플랫폼에서 출력 필드의 연속 모니터링이 임의의 가우시안 측정을 구현하는 데 충분한가?
• RQ4 실제의 열 및 분해 효과 조건 하에서 이 접근법의 타당성 한계는 무엇인가?
• RQ5 유한한 압축과 열 노이즈 조건 하에서도 자원 상태와 측정 연산의 허상도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 드라이브된 소산 광기계 시스템은 안정 상태로 비가우시안 클러스터 상태—특히 얽힌 압축 상태와 입방형 위상 상태—를 결정론적으로 준비할 수 있다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 열 노이즈 조건 하에서도 클러스터 상태의 최종 허상도가 높은 편을 유지하며, 온도가 상승할수록 허상도가 감소하는 경향을 보였다.
• 입방형 위상 게이트의 평균 허상도가 매우 높게 유지되며, 온도와 감쇠율이 높아질수록 허상도가 감소하는 경향을 보였다.
• 연속 모니터링의 사용은 효과적인 가우시안 측정을 가능하게 하며, 운동량 관측량의 유한한 해상도 이산화 조건 하에서도 결과가 강인하다.
• 단서적 제거를 통해 유도된 효과적 마스터 방정식은 실제 파rameter 조건 하에서 프로토콜의 안정성과 타당성을 확인한다.
• 이 접근법은 양자 메모리와 후처리 선택이 필요 없어 현재의 광기계 기술 수준에서 더욱 실험적으로 접근 가능하다.