[论文解读] Distributed quantum computing with photons and atomic memories

Eun Young Oh, Xuanying Lai+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种可扩展的分布式量子计算架构，结合光学生态量子比特与原子系综量子存储器，通过里德伯阻塞实现通用两量子比特门。通过将光学生态量子比特转换为集体原子态，该方案实现了高保真度和可扩展性的确定性光学生态非线性相互作用，为容错、联网的量子计算提供了一种稳健的替代方案，相较于超导或离子阱平台更具优势。

ABSTRACT

The promise of universal quantum computing requires scalable single- and inter-qubit control interactions. Currently, three of the leading candidate platforms for quantum computing are based on superconducting circuits, trapped ions, and neutral atom arrays. However, these systems have strong interaction with environmental and control noises that introduce decoherence of qubit states and gate operations. Alternatively, photons are well decoupled from the environment, and have advantages of speed and timing for distributed quantum computing. Photonic systems have already demonstrated capability for solving specific intractable problems like Boson sampling, but face challenges for practically scalable universal quantum computing solutions because it is extremely difficult for a single photon to "talk" to another deterministically. Here, we propose a universal distributed quantum computing scheme based on photons and atomic-ensemble-based quantum memories. Taking the established photonic advantages, we mediate two-qubit nonlinear interaction by converting photonic qubits into quantum memory states and employing Rydberg blockade for controlled gate operation. We further demonstrate spatial and temporal scalability of this scheme. Our results show photon-atom network hybrid approach can be an alternative solution to universal quantum computing.

研究动机与目标

• 为解决光学生态量子计算中由于缺乏强单光子非线性效应而导致的确定性两量子比特纠缠难题。
• 通过利用光学生态的长相干时间与低退相干性，结合原子系综的可控非线性相互作用，实现可扩展的通用量子计算。
• 开发一种分布式架构，使飞行光学生态量子比特通过高效的量子存储器转换，与本地原子量子存储器实现接口。
• 利用原子系综中的里德伯阻塞作为非线性资源，实现可扩展的高保真度两量子比特受控相位门。
• 通过时间线量子计算和多节点网络架构，展示该方案在空间与时间上的可扩展性。

提出的方法

• 光学生态量子比特以单光子的偏振态 |H⟩ 和 |V⟩ 编码，并通过线性光学元件（如波片和分束器）进行操控。
• 通过电磁诱导透明度（EIT）将光学生态量子比特转换为激光冷却原子系综中的集体原子叠加态，以实现存储与处理。
• 利用两个原子系综之间的里德伯阻塞实现两量子比特受控相位（CP）门，其中一个里德伯激发的原子会在阻塞半径内阻止第二个原子被激发。
• 该方案采用两种配置：一种为控制与目标模式使用两个独立的原子系综；另一种为使用单个共享系综并重叠光子模式，以提升效率。
• 通过冷原子系综中的EIT基基态量子存储器，实现了量子存储效率（η > 85%）和高保真度态转移（保真度 > 99%）。
• 通过偏振操控单元（PMUs）对读出光子进行循环利用，实现时间线量子计算，使同一量子存储器可重复用于扩展计算深度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖概率性线性光学的条件下，实现在光学生态量子计算中的确定性两量子比特纠缠？
• RQ2 原子系综中的里德伯阻塞是否能够在单光子水平上有效介导光学生态量子比特之间的非线性相互作用？
• RQ3 光子-原子混合架构是否能够实现高保真度与时间效率的可扩展、通用量子计算？
• RQ4 受控相位门的保真度与效率如何随量子比特数量与存储效率而变化？
• RQ5 该架构是否可通过量子存储器循环利用，支持分布式量子计算与时间线量子计算？

主要发现

• 当存储效率 η = 0.9 时，即使在 N = 100 个量子比特下，该方案仍能实现 > 0.47 的受控相位门保真度，表明其对退相干具有强鲁棒性。
• 随着 N 增加，生成效率急剧下降，表明可扩展性与资源开销之间存在权衡。
• 基于EIT的原子系综量子存储器在单光子偏振量子比特的存储与读取中实现了 > 85% 的效率和 > 99% 的保真度。
• 利用里德伯阻塞实现了确定性光学生态非线性相互作用，克服了单光子水平下光学非线性效应微弱的根本限制。
• 该架构支持空间与时间可扩展性，通过量子存储器循环利用，可实现分布式量子计算与时间线量子计算。
• 该方案与现有光学生态线性光学及中性原子非线性效应兼容，构成一个模块化、可网络化的通用量子计算平台。