[논문 리뷰] Optical Cluster-State Generation without Number-Resolving Photon Detectors

Mark M. Wilde, Federico M. Spedalieri외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 16.

Quantum Information and Cryptography인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 비수량 해석 포토닉 검출기를 사용하는 선형 광학 양자 계산을 위한 제어된-상태 게이트를 제안하며, 편광 인코딩된 광자와 내재된 오류 보정 메커니즘을 활용한다. 네 큐비트 앤실라 상태를 사용하여 성공 확률 1/4를 달성하며, 수량 해석 검출기가 없어도 다항적 오버헤드로 신뢰할 수 있는 광학 클러스터 상태 생성이 가능하다. 이는 검출기의 어두운 계수율이 낮을 경우에 한해 성립한다.

ABSTRACT

We show how to build a controlled-phase gate for linear optical quantum computing by using photon detectors that cannot resolve photon number. Our scheme uses polarization encoding of photons and includes an intrinsic error-correction circuit which can correct for errors introduced by the detectors. We generate a four-qubit ancilla state offline given a source of pure polarization-entangled Bell states. We use the four-qubit ancilla state in the operation of our controlled-phase gate for a success probability of 1/4. A recent result [1, 2] claims that a two-qubit gate with non-zero success probability can build an arbitrarily large cluster state with only polynomial overhead. Thus we can reliably generate optical cluster states without number-resolving detectors and with polynomial overhead if the dark count probability of the detectors is low.

연구 동기 및 목표

• 수량 해석 포토닉 검출기가 필요 없는 선형 광학 양자 계산을 위한 제어된-상태 게이트를 개발하는 것.
• 제한된 광자 수 해상도를 가진 표준 광학 검출기만을 사용하여 대규모 광학 클러스터 상태를 생성하는 것.
• 검출기로 인한 오류를 보완하기 위해 내재된 오류 보정을 통합하는 것.
• 벨 상태로부터 사전 준비된 네 큐비트 앤실라 상태를 사용하여 1/4의 실현 가능한 성공 확률을 달성하는 것.
• 어두운 계수율이 낮을 경우 다항적 오버헤드로도 신뢰할 수 있는 클러스터 상태 생성이 가능하다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 큐비트를 인코딩하기 위해 편광으로 인코딩된 광자를 사용하여 검출에서 수량 해상도가 필요 없도록 한다.
• 순수한 편광 얽힌 벨 상태로부터 사전 준비된 네 큐비트 앤실라 상태를 사용하여 제어된-상태 게이트를 매개한다.
• 수량 해석 기능이 없는 검출기로 인한 오류를 보정하기 위해 내재된 오류 보정 회로를 통합한다.
• 앤실라 기반 프로토콜을 통해 제어된-상태 게이트 작동의 성공 확률을 1/4로 달성한다.
• 최근 이론적 결과에 기반하여, 성공 확률이 0이 아닌 임의의 두 큐비트 게이트는 다항적 오버헤드로 임의로 큰 클러스터 상태를 생성할 수 있음을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형 광학 양자 계산에서 수량 해석 포토닉 검출기가 필요 없이 제어된-상태 게이트를 구현할 수 있는가?
• RQ2 광자 수 해상도가 없는 상황에서 검출기로 인한 오류는 어떻게 보정할 수 있는가?
• RQ3 수량 해석 기능이 없는 검출기와 앤실라 상태를 사용할 경우 두 큐비트 게이트의 실현 가능한 성공 확률는 얼마인가?
• RQ4 검출기가 수량 해석 기능이 없을 경우에도 다항적 오버헤드로 대규모 광학 클러스터 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ5 이러한 기법의 확장성에 있어 검출기의 어두운 계수 확률은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제안된 제어된-상태 게이트는 네 큐비트 앤실라 상태와 수량 해석 기능이 없는 검출기를 사용하여 성공 확률 1/4를 달성한다.
• 이 기법은 검출기의 광자 수 해상도 부족으로 인한 오류를 보완하기 위해 내재된 오류 보정을 통합한다.
• 편광 인코딩된 광자를 사용함으로써 복잡한 검출 기술이 필요 없이 게이트 작동을 수행할 수 있다.
• 최근 이론적 결과에 기반하여, 이 프로토콜은 다항적 오버헤드로만으로도 신뢰할 수 있는 광학 클러스터 상태 생성이 가능하다.
• 검출기의 어두운 계수율이 낮을 경우 확장성이 가능하며, 현실적인 조건에서 고장 내성 운영이 보장된다.