[논문 리뷰] A simple gate for linear optics quantum computing

Terry Rudolph, Jian-Wei Pan|ArXiv.org|2001. 08. 11.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 편광 회전기, 편광 분리기, 단일 광자 검출기만을 사용하여 선형 광학 양자 컴퓨팅을 위한 비선형 부호(NLS) 게이트의 간소화된 실험적 구현을 제안한다. 최적의 회전 각도 θ ≈ 61.5° 및 σ ≈ 150.5°를 설정함으로써, 이 방법은 약 22.7%의 성공 확률을 달성하며 원래의 25%에 비해 略로 낮지만, 가변 반사율을 가지는 분리기의 사용을 피하는 등 실험적으로 유리한 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We describe a simple scheme for implementing the non-linear sign gate of Knill, Laflamme and Milburn (Nature, {\bf 409}, 46-52, Jan. 4 (2001)) which forms the basis of an experiment underway at the University of Vienna.

연구 동기 및 목표

• 선형 광학 양자 컴퓨팅에서 비선형 부호(NLS) 게이트의 실험적 구현을 단순화하는 것.
• 실험적으로 실현하기 어려운 가변 반사율을 가지는 분리기를 포함하는 복잡한 간섭계에 대한 의존도를 줄이는 것.
• 단일 광자 소스, 검출기, 편광 제어 장치 등 표준 장비만으로도 실현 가능한 실험적 구현을 가능하게 하는 것.
• 선형 광학, 단일 광자, 후행 선택(post-selection) 기반의 확장 가능한 양자 컴퓨팅 프레임워크와의 호환성을 유지하는 것.

제안 방법

• 입력 광자 모드는 수평 편광을 가진 포크 상태의 초위상으로 준비되고, 각도 σ로 설정된 편광 회전기를 통과한다.
• 수평 편광을 가진 보조 광자(ancilla photon)가 편광 분리기(PBS)에서 입력 모드와 합쳐지며, 편광에 따라 모드가 분리된다.
• 성공 조건은 D₁에서 감지되지 않은 경우(수평 출력에서 광자가 없음)에 해당하며, 이는 시스템이 이광자 부분공간에 머무르도록 보장한다.
• 수직 출력 모드는 각도 θ로 설정된 두 번째 편광 회전기를 통과한 후, 두 번째 PBS와 검출기 D₂를 거친다. 성공적인 작동을 위해서는 단일 수직 광자 감지가 필요하다.
• 편광 회전기의 단위 변환을 사용하여 출력 상태를 유도하며, 변환은 a_H† → cos(x)a_H† + sin(x)a_V† 및 a_V† → -sin(x)a_H† + cos(x)a_V† 로 정의된다.
• 성공 확률은 θ = arccos(√(21−7√2)/7) ≈ 61.5° 및 σ = arccos((1−2√2)A) ≈ 150.5°로 선택함으로써 최대화되며, 이는 A² ≈ 0.227의 성공률을 낳는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원래 제안된 것보다 더 단순한 광학 부품을 사용하여 비선형 부호(NLS) 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ2 어떤 특정한 편광 회전기 각도가 복잡한 분리기를 피하면서도 성공 확률을 최대화하는가?
• RQ3 표준 단일 광자 검출기를 후행 선택 방식으로 사용하여, 다중 광자 해상도가 필요 없이도 NLS 게이트를 실험적으로 증명할 수 있는가?
• RQ4 22.7%의 감소된 성공 확률이 선형 광학 양자 컴퓨팅의 확장성에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 약 22.7%의 성공 확률을 달성하며, 원래의 25%에 비해 略로 낮지만 여전히 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 적합하다.
• 최적의 회전 각도는 θ ≈ 61.5° 및 σ ≈ 150.5°이며, 이는 A = √(21−7√2)/7 식으로 유도된다.
• 이 방법은 반사율이 다른 분리기를 사용하지 않아도 되므로, 원래 설계에 비해 실험적으로 크게 단순화된다.
• D₁ 및 D₂ 검출기를 통한 후행 선택 방식을 사용함으로써, 다중 광자 사건이 조건부로 제거되더라도 표준 단일 광자 검출기를 사용할 수 있다.
• 결과적으로 선형 광학 양자 컴퓨팅의 핵심적 확장성은 그대로 유지되며, 단지 선형 광학과 후행 선택을 통해 성공 확률을 1에 가깝게 끌어올릴 수 있음을 확인한다.