[論文レビュー] Nonlocal photonic quantum gates over 7.0 km

Xiao Liu, Xiao‐Min Hu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、7.0 kmのメトロポリタンスケールの距離において、光子量子ビット、多重化量子メモリ、現地に設置されたファイバー光回線を用いて、初めての分散量子計算ネットワークを実現した。非局所的光子量子ゲートを量子ゲートテレポーテーションと能動的フィードフォワード制御によって実装することで、遠隔ノード間でデュイット・ジョーズァと量子位相推定アルゴリズムを高精度で実装し、スケーラブルで大規模な量子ネットワークへの重要な一歩を示した。

ABSTRACT

Quantum networks provide a prospective paradigm to connect separated quantum nodes, which relies on the distribution of long-distance entanglement and active feedforward control of qubits between remote nodes. Such approaches can be utilized to construct nonlocal quantum gates, forming building blocks for distributed quantum computing and other novel quantum applications. However, these gates have only been realized within single nodes or between nodes separated by a few tens of meters, limiting the ability to harness computing resources in large-scale quantum networks. Here, we demonstrate nonlocal photonic quantum gates between two nodes spatially separated by 7.0 km using stationary qubits based on multiplexed quantum memories, flying qubits at telecom wavelengths, and active feedforward control based on field-deployed fibers. Furthermore, we illustrate quantum parallelism by implementing the Deutsch-Jozsa algorithm and the quantum phase estimation algorithm between the two remote nodes. These results represent a proof-of-principle demonstration of quantum gates over metropolitan-scale distances and lay the foundation for the construction of large-scale distributed quantum networks relying on existing fiber channels.

研究の動機と目的

• 単一ノード量子システムの距離および接続制限を克服することで、スケーラブルな分散量子計算を実現すること。
• 既存のファイバーインfraストラクチャを用いて、長距離における非局所的量子ゲートの実装という課題に取り組むこと。
• 7.0 kmの距離で分離された2つのリモートノード間で、高精度な量子アルゴリズム（デュイット・ジョーズァと量子位相推定）を実装すること。
• 現地に設置されたファイバー、通信波長帯の飛行量子ビット、長寿命の量子メモリを組み合わせた手法が、大規模な量子ネットワークに実用可能であるかを検証すること。
• 将来的な量子ネットワークに向け、古典的通信と能動的フィードフォワードを活用した非局所ゲート操作を実現する実用的フレームワークを確立すること。

提案手法

• 周期的ポーラライゼーション反転LiNbO3（PPLN）波導を用いた自己誘導非線形効果（SPDC）により生成されるパルス非縮退エンタングルド光子対を用いる。
• 1537-nm光子を、振動隔離型冷却装置を備えた$^{153}$Eu$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$結晶を用いた量子メモリに格納する。
• 7.0 kmの距離を現地に設置されたシングルモードファイバーを介して、1537-nm光子を飛行量子ビットとして遠隔ノードに送信する。
• 制御量子ビットとターゲット量子ビットを偏光自由度（DOF）に符号化し、局所的な2量子ビットゲートを偏光と経路DOFの間で実装する。
• 測定結果に基づいて操作を条件付きで適用するため、専用のファイバー回線を介した古典的通信により能動的フィードフォワード制御を実施する。電気光学モジュレータ（EOM）を用いる。
• 高精度な状態準備と測定を実現するため、時間同期システム（TSS）、超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）、時間-デジタルコンバータ（TDC）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の現場設置ファイバーを用いて、光子量子ビットと量子メモリを組み合わせ、7.0 kmの距離で非局所的量子ゲートを信頼性高く実装できるか？
• RQ2 デュイット・ジョーズァや量子位相推定といった分散量子アルゴリズムが、このような長距離で高精度に実行可能か？
• RQ3 古典的通信に基づく能動的フィードフォワード制御が、実世界のファイバー網において、決定論的な非局所ゲート操作をどの程度可能にするか？
• RQ4 通信波長帯の飛行量子ビットと多重化量子メモリの組み合わせが、エンタングルメントの維持と長距離量子計算の実現にどの程度効果的か？
• RQ5 提示されたアーキテクチャが、既存のファイバーインfraストラクチャを活用した将来の大規模量子計算ネットワークのスケーラブルな基盤として機能できるか？

主な発見

• デュイット・ジョーズァアルゴリズムにおいて、1回の実行ごとに定数関数とバランス関数を識別する際、91%を超える精度を達成した。
• 量子位相推定アルゴリズムは、4つの異なる位相シフト（φ = 0, π/2, 5π/4, 3π/2）に対して正常に実装され、すべての3反復で位相の2進展開のビットが正しく測定された。
• $^{153}$Eu$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$結晶におけるエンタングルメントのストレージは、原子周波数コンブ（AFC）メモリを用いて80.315 μsにわたり維持され、一致計数は背景ノイズが100倍低減された。
• 量子ゲートテレポーテーションを介した非局所CNOT類似ゲートが実現され、古典的通信遅延は能動的フィードフォワード制御により補償された。
• 7.0 kmの現場設置ファイバーを用いることで、低損失および高可視性を維持した安定した動作が達成され、このアーキテクチャのスケーラビリティが裏付けられた。
• 結果から、長寿命で多重化された量子メモリおよび通信波長帯の光子インターフェースが、長距離分散量子計算に実用的であることが確認された。