[論文レビュー] Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing

Héctor Bombín, Isaac H. Kim+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 28

ひとこと要約

論文は interleaving モジュール（1つのリソース状態生成器、フュージョン装置、ファイバ遅延）を用いたモジュラーFBQCアーキテクチャを提案し、フォトニック量子計算を拡張し、ファイバメモリによる支援を受けた表面コードで普遍的な耐障害性動作を実証する。

ABSTRACT

Useful fault-tolerant quantum computers require very large numbers of physical qubits. Quantum computers are often designed as arrays of static qubits executing gates and measurements. Photonic qubits require a different approach. In photonic fusion-based quantum computing (FBQC), the main hardware components are resource-state generators (RSGs) and fusion devices connected via waveguides and switches. RSGs produce small entangled states of a few photonic qubits, whereas fusion devices perform entangling measurements between different resource states, thereby executing computations. In addition, low-loss photonic delays such as optical fiber can be used as fixed-time quantum memories simultaneously storing thousands of photonic qubits. Here, we present a modular architecture for FBQC in which these components are combined to form "interleaving modules" consisting of one RSG with its associated fusion devices and a few fiber delays. Exploiting the multiplicative power of delays, each module can add thousands of physical qubits to the computational Hilbert space. Networks of modules are universal fault-tolerant quantum computers, which we demonstrate using surface codes and lattice surgery as a guiding example. Our numerical analysis shows that in a network of modules containing 1-km-long fiber delays, each RSG can generate four logical distance-35 surface-code qubits while tolerating photon loss rates above 2% in addition to the fiber-delay loss. We illustrate how the combination of interleaving with further uses of non-local fiber connections can reduce the cost of logical operations and facilitate the implementation of unconventional geometries such as periodic boundaries or stellated surface codes. Interleaving applies beyond purely optical architectures, and can also turn many small disconnected matter-qubit devices with transduction to photons into a large-scale quantum computer.

研究の動機と目的

• フォトニックアーキテクチャにおける非常に多くの物理量子ビットを必要とする耐障害性量子計算機の必要性を動機づける。
• 利用可能な量子ビットを増やすために、RSGs、フュージョン装置、長いファイバ遅延を組み合わせた interleaving モジュールを導入する。
• interleaving モジュールのネットワークが表面コードと格子手術を用いた普遍的な耐障害性量子計算を実現する方法を示す。
• ファイバベースのメモリによる実用的な性能を実証し、損失耐性とスケーラビリティの利点を含む。
• 非局所的なファイバ接続が異例の幾何配列や論理演算コストの潜在的削減を可能にするかを探る。

提案手法

• 長い n-遅延を用いて fusion グラフのスライスサイズを増やすことを interleaving と定義する。
• 層状 interleaving（k-遅延がアクティブな量子ビットを k だけ拡張）と rastered interleaving（L レザー長、L^2 のスライスを L^2 の RSG サイクルで生成） の2つの interleaving スキームを説明する。
• RSGを含む interleaving モジュールの配列、複数のフュージョン装置、スイッチ、大規模遅延を含むモジュラー・ハードウェアアーキテクチャを提示する。
• 6環リソース状態を用いて単純立方体フュージョングラフを構築し、interleaving 座標（g,t）を持つハードウェアモジュールへマッピングする。
• FBQC を耐障害性表面コードと格子手術へ結び付け、フュージョングラフが論理演算をどのように実現するかを詳述する。
• 千メートル級ファイバ遅延を用いた損失耐性と性能の数値分析を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバ遅延に支援された場合、単一のリソース状態生成器（RSG）は静的な物理量子ビットを数千個までエミュレートできるか。
• RQ2 interleaving モジュールのネットワークは表面コードと格子手術を用いた普遍的な耐障害性量子計算を実現できるか。
• RQ3 長いファイバ遅延と非局所的な接続は、論理演算の効率とリソースコストにどのような影響を及ぼすか。
• RQ4 interleaving の実用的な損失耐性とスケーラビリティへの影響はどうなるか。
• RQ5 interleaving アーキテクチャは非伝統的な幾何や拡張接続性（例: stellated surface codes）に対応できるか。

主な発見

• 1つの RSG とファイバ遅延で数千のリソース状態を生成でき、耐障害計算のために実質的に数千の静的な量子ビットをエミュレートできる。
• interleaving モジュールのネットワークは、表面コードと格子手術を指針として普遍的な耐障害量子計算機である。
• 1-km のファイバ遅延で、単一の RSG はコード距離 35 の約4つの論理表面コード量子ビットを追加でき、ファイバ遅延損失に加えて光子損失を 2% 以上許容できる。
• interleaving アプローチは非局所的なファイバ接続を可能にし、論理演算コストを削減し、周期境界や stellated codes のような非定型幾何を実現する。
• interleaving 比は rastered モジュールで L^2 にスケールし、空間と時間のトレードオフを線形に提供する：より多くの論理量子ビットは生成速度の低下と引き換え、または同じ量子ビット数のために RSG を減らす。
• このフレームワークは純粜フォトニクスを超えた適用が可能で、独立した RSG として自律的な量子状態生成器として、より大きなフォトニックネットワーク内の転送可能な固体状態系と協調できる。