[논문 리뷰] Why I am optimistic about the silicon-photonic route to quantum computing

Terry Rudolph|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 28.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대규모 실리콘 포토닉 양자 컴퓨팅이 효율적이고 거의 결정적인 3광자 양자 얽힘 상태 소스를 구현하는 데 달려 있다고 주장한다. 이는 선형 광학을 통한 확장 가능한 클러스터 상태 양자 계산을 가능하게 한다. 이러한 소스가 실현되면, 아키텍처는 광자의 수에 관계없이 일정한 수의 광학적 구성 요소만 필요로 하여 현재의 CMOS 호환 포토닉 집적 회로로도 구현 가능하며, 오류율이 $10^{-8}$ 이하일 것으로 기대된다.

ABSTRACT

This is a short overview explaining how building a large-scale, silicon-photonic quantum computer has been reduced to the creation of good sources of 3-photon entangled states (and may simplify further). Given such sources, each photon need pass through a small, constant, number of components, interfering with at most 2 other spatially nearby photons, and current photonics engineering has already demonstrated the manufacture of thousands of components on two-dimensional semiconductor chips with performance that allows the creation of tens of thousands of photons entangled in a state universal for quantum computation. At present the fully-integrated, silicon-photonic architecture we envisage involves creating the required entangled states by starting with single-photons produced non-determistically by pumping silicon waveguides (or cavities) combined with on-chip filters and nanowire superconducting detectors to herald that a photon has been produced. These sources are multiplexed into being near-deterministic, and the single photons then passed through an interferometer to non-deterministically produce small entangled states - necessarily multiplexed to near-determinism again. This is followed by a `ballistic' scattering of the small-scale entangled photons through an interferometer such that some photons are detected, leaving the remainder in a large-scale entangled state which is provably universal for quantum computing implemented by single-photon measurements. There are a large number of questions regarding the optimum ways to make and use the final cluster state, dealing with static imperfections, constructing the initial entangled photon sources and so on, that need to be investigated before we can aim for millions of qubits capable of billions of computational time-steps. The focus in this article is on the theoretical side of such questions.

연구 동기 및 목표

• 대규모 실리콘 포토닉 양자 컴퓨터를 구축하는 데 있어 주요 과제는 효율적인 3광자 얽힘 상태의 생성임을 주장하기.
• 이러한 소스가 확보되면, 나머지 아키텍처는 기존 포토닉 집적 회로(PIC) 기술로 이미 실현 가능한 선형 광학 간섭계로 축소된다는 것을 보여주기.
• 계산 크기에 관계없이 광자의 수에 비례하지 않는 일정한 수의 구성 요소만 사용함으로써 양자 메모리가 필요 없고 오버헤드를 최소화한다는 점을 강조하기.
• 손실에 강건한 그래프 상태, 다중화 기법, 오류 내성 있는 클러스터 상태 아키텍처에 대한 집중적인 이론적 연구를 촉구하기.
• 제안된 아키텍처가 기존 CMOS 제조 공정과 호환되어 향후 수백만 개의 구성 요소로의 확장이 가능하다는 점을 강조하기.

제안 방법

• 펌프된 실리콘 웨이브가이드 또는 캐비티를 통한 비결정성 단일 광자 소스를 사용하고, 온칩 필터와 초도체 나노와이어 검출기를 조합하여 화성 검출을 수행한다.
• 단일 광자를 다중화하여 거의 결정성 작동을 달성한 후, 간섭계를 통과시켜 소규모 얽힘 상태를 생성하고, 再다중화를 통해 다시 거의 결정성 상태로 만든다.
• ‘탄도’ 산란 과정을 통해 이 작은 얽힘 상태들이 큰 간섭계를 통해 분포되며, 광자 검출을 통해 나머지 광자가 대규모이고 보편적인 클러스터 상태로 프로젝션된다.
• 클러스터 상태는 측정 기반 양자 계산에 사용되며, 하다마드 게이트와 S-게이트는 사전 준비된 그래프 상태를 실시간으로 연결하여 구현한다.
• 손실에 강건한 그래프 상태(예: ‘광란의 그래프’)는 양자 메모리나 장시간 지연 없이도 손실을 보완하기 위해 제안된다.
• 다중화 기법을 사용하여 확률적 잡음 억제와 자원 효율성 향상을 도모하며, 이론적 분석 결과 오류율이 $10^{-8}$ 이하일 가능성이 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 메모리나 장시간 지연 없이도 손실에 강건한 양자 코드를 탄도 포토닉 아키텍처에 통합할 수 있는가?
• RQ2 스테이트 준비 과정에서 확률적 파울리 잡음이 증폭되지 않는 방식으로 필요한 클러스터 상태 그래프를 생성할 수 있는 방법이 있는가?
• RQ3 '광란의 그래프' 아키텍처가 트리 코드 원리에 영감을 받아 양자 중계기 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 비결정성 소스를 다중화하여 자원 오버헤드를 최소화하면서 거의 결정성 3광자 얽힘을 달성하는 최적의 방법은 무엇인가?
• RQ5 포토닉 양자 컴퓨팅을 위한 이론적 프레임워크는 실리콘 포토닉스의 고유한 제약 조건(특히 잡음과 확장성)을 고려해 어떻게 적응시킬 수 있는가?

주요 결과

• 확장 가능한 실리콘 포토닉 양자 컴퓨팅의 주요 과제는 효율적이고 거의 결정적인 3광자 얽힘 상태의 생성이며, 이 문제가 해결되면 나머지 아키텍처는 간단해진다.
• 현재의 포토닉 집적 회로 기술로는 칩에 수천 개의 구성 요소를 제작할 수 있으며, 이는 수만 개의 얽힘 광자를 생성하는 데 충분한 성능을 제공하여 보편적 양자 계산을 지원한다.
• 이론적 분석 결과 실리콘 포토닉 시스템의 확률적 오류율은 $10^{-8}$ 수준으로 낮을 수 있으며, 이는 고장 내성 양자 계산에 필요한 $10^{-6}$ 이하의 임계값을 크게 밑도는 수준이다.
• 최종 클러스터 상태에서 기능적 큐비트당 20개 이하의 물리적 광자가 필요하며, 오직 두 개의 광자만 잠재적으로 잡음이 있는 활성 요소를 통과한다.
• 다중화된 온칩 단일 광자 소스와 간섭계 기반 상태 생성을 통해 양자 메모리가 필요 없이도 확장 가능하고 모듈러한 클러스터 상태 생산이 가능하다.
• 이론적 프레임워크인 ‘광란의 그래프’ 상태는 손실 내성에 유망하며, 양자 중계기 성능 향상에 적응 가능할 것으로 보인다.