[論文レビュー] Single-shot deterministic entanglement between non-interacting systems with linear optics

Leigh S. Martin, K. Birgitta Whaley|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、線形光学とリアルタイムフィードバックを用いて、相互作用のない量子系のための1ショットで決定的となるもつれ生成プロトコルを提示する。100%の成功確率を達成する。光子数測定またはホモダイン検出を用い、局所的に最適なフィードバック制御を施すことで、従来の報知型プロトコルの50%の成功確率の上限を克服し、損失や遅延があっても高い保真度を維持する。この手法はモジュール型量子計算やハイブリッド量子系に応用可能である。

ABSTRACT

Measurement-based heralded entanglement schemes have served as the primary link between physically separated qubits in most quantum information platforms. However, the impossibility of performing a deterministic Bell measurement with linear optics bounds the success rate of the standard protocols to at most 50%, which means that the entanglement of the unheralded state is zero. Here we show that the ability to perform feedback during the measurement process enables unit success probability in a single shot. Our primary feedback protocol, based on photon counting retains the same robustness as the standard Barrett-Kok scheme, while doubling the success probability even in the presence of loss. In superconducting circuits, for which homodyne detectors are more readily available than photon counters, we give another protocol that can deterministically entangle remote qubits given existing parameters. In constructing the latter protocol, we derive a general expression for locally optimal control that applies to any continuous, measurement-based feedback problem.

研究の動機と目的

• 線形光学と単一光子検出に基づく従来の報知型もつれプロトコルの根本的な50%の成功確率の限界を克服すること。
• スケーラブルな量子計算のため、捕獲イオン、超伝導キュービット、量子ドットなどの非相互作用または遠隔に位置する量子系間で決定的もつれを実現すること。
• 実験的不確実要因（損失、フィードバック遅延、経路長の変動など）を含む現実的な条件下でも、高い保真度とロバストネスを維持するフィードバックベースのプロトコルを開発すること。
• 連続的測定に基づく量子制御問題における局所的に最適なフィードバック制御の一般枠組みを提供すること。これは、特定のもつれスキームにとどまらず、広範な応用に適用可能である。
• 現在の実験的条件では高帯域光子カウンタが利用できない状況においても、ホモダイン検出を用いて超伝導回路で決定的もつれを実現すること。

提案手法

• ビームスプリッタと光子カウンタを用いたベル状態測定後に、原子キュービット状態に対してリアルタイムフィードバックを施す光子数測定ベースのプロトコルを実装する。
• 測定の反作用とノイズを考慮し、もつれ保真度を最大化するための一般化された制御フレームワークから導かれた局所的に最適なフィードバックハミルトニアンを適用する。
• Zhangら（2018）の局所的に最適なフィードバック形式を、非可換な複数のフィードバックハミルトニアンと1次遅延補正を含めるように拡張する。
• 測定の反作用と遅延付きの依存関係を有するフィードバック操作を組み込んだ、相関ノイズ項を含む確率的マスター方程式を用いてダイナミクスをモデル化する。
• 即時の測定結果と遅延付きの測定結果の両方を考慮した、局所的に最適なフィードバック制御則の閉形式表現を導出する。
• 光子損失、損失の非対称性、経路長の変動、Purcell増幅キャビティを含む現実的な条件のもとで、数値シミュレーションを用いてプロトコルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形光学とリアルタイムフィードバックのみを用いて、非相互作用キュービット間で決定的もつれを達成できるか。これにより、従来の報知型スキームの50%の限界を回避できるか。
• RQ2 フィードバック遅延は、測定ベースのもつれプロトコルの保真度と成功確率にどのように影響するか。また、その影響を緩和する最適なフィードバックを導出可能か。
• RQ3 現在の実験的パラメータのもとで、光子数測定の代替としてホモダイン検出が、超伝導回路で決定的もつれを達成するために有効であるか。
• RQ4 非可換な操作と時間遅延を含む連続的測定に基づく量子制御問題における、局所的に最適なフィードバックハミルトニアンの一般形は何か。
• RQ5 損失、経路長の変動、非マルコフ的効果といった実験的不確実要因は、提案されたフィードバックプロトコルの性能をどの程度劣化させるか。

主な発見

• 理想状態のもとで、光子数測定ベースのプロトコルは1ショットで100%の成功確率を達成し、従来の報知型スキームの50%の上限を上回る。
• 実際の損失や経路長の変動があっても、保真度が著しく低下せず、通常の実験的パrameter範囲では保真度に顕著な劣化がない。
• フィードバック遅延に対しても中程度のロバストネスを示し、成功確率が低下するが保真度は維持される。また、遅延の1次までを考慮した局所的に最適なフィードバック則が導出された。
• 超伝導回路では、ホモダイン検出ベースのプロトコルが、現在の実験的条件のもとで決定的もつれを実現可能であるが、光子数測定に比べて損失に対するロバストネスは低い。
• 複数の非可換ハミルトニアンと1次遅延補正を含む連続的測定に基づくフィードバック問題における、一般的で閉形式の局所的に最適なフィードバック制御則が導出された。
• 数値シミュレーションにより、損失の非対称性やPurcellキャビティに起因する非マルコフ的効果を含む多様な不確実要因に対しても、フィードバックプロトコルが高いもつれ保真度を維持することが確認された。