[论文解读] Switch networks for photonic fusion-based quantum computing

Sara Bartolucci, Patrick M. Birchall+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于广义马赫-曾德尔干涉仪（GMZIs）的新型开关网络架构，显著提升了光子融合型量子计算中的复用效率并减小了硬件占用面积。通过利用时间复用、低深度切换和共享复用策略，作者在资源态生成中实现了高达5倍的产量提升，同时最小化了光学生损耗和主动开关深度，从而实现了可扩展、容错的光子量子计算。

ABSTRACT

Fusion-based quantum computing (FBQC) offers a powerful approach to building a fault-tolerant universal quantum computer using photonic components -- single-photon sources, linear-optical circuits, single-photon detectors, and optical switching with feedforward control. Both individual optical switches and sophisticated switch networks are needed where it is necessary to perform operations conditionally, using feedforward of previous photon-detection outcomes, within the lifetime of remaining photons. Most visibly, feedforward switching is required for fault-tolerant operations at the level of logical qubits, which are needed in turn for useful quantum algorithms. However, switch networks are also required for multiplexing ("muxing") stages that are needed for generating specific small entangled resource states, where it is used to boost the probabilities for allocating quantum states to fusion gates and other operations -- a task which dominates the footprint of photonic FBQC. Despite their importance, limited attention has been paid to exploring possible designs of switch networks in this setting. Here we present a wide range of new techniques and schemes which enable major improvements in terms of muxing efficiency and reductions in hardware requirements. Since the use of photonic switching heavily impacts qubit losses and errors, our schemes are constructed with low switch depth. They also exploit specific features of linear-optical circuits which are commonly used to generate entanglement in proposed quantum computing and quantum network schemes.

研究动机与目标

• 解决光子融合型量子计算（FBQC）中因开关网络效率低下且占用面积过大，导致资源态生成成为关键瓶颈的问题。
• 通过设计开关深度最小化、复用效率高的开关网络，减少光子量子计算机中的硬件占用面积和光学生损耗。
• 通过改进概率性单光子源和纠缠态生成电路的复用策略，实现可扩展、容错的量子计算。
• 利用时间作为路由的自由度，实现以更少的物理资源和更低的主动控制复杂度获得更高产量。
• 证明开关网络不仅可优化路由，还可用于实现硬件冗余和绕过较慢组件。

提出的方法

• 基于广义马赫-曾德尔干涉仪（GMZIs）设计开关网络，支持所有排列操作且相位延迟器深度最小化。
• 使用单层和双层MZI网络，以高概率将光子路由至目标时空模式，实现输入光子模式的高效复用。
• 引入时间复用的光栅扫描策略，在保持目标成功概率的同时，将所需光源数量减少为输出光子数的倍数。
• 实施共享复用架构，使单个复用器可同时服务多个纠缠态生成电路，从而提高整体产量。
• 应用德布鲁因型延迟网络来编排开关操作，使可用输入模式数量相比朴素复用方式最多提升6倍。
• 在基于GMZI的复用器中集成可调控交换和时间编码，以恢复非标准纠缠态并提升路由灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计开关网络，在光子FBQC中最小化开关深度和光学生损耗，同时最大化复用效率？
• RQ2 使用时间复用、低深度开关网络，资源态生成的最大可实现产量提升是多少？
• RQ3 共享复用策略是否能在保持或提升纠缠态生成成功率的同时减少硬件占用面积？
• RQ4 在时间复用网络中，光栅扫描与顺序切换在多大程度上可增加可用输入光子模式的数量？
• RQ5 与经典排列开关相比，基于GMZI的开关网络在所需相位延迟器深度和操作复杂度方面有何差异？

主要发现

• 所提出的开关网络在资源态生成中相比标准的$4\times N/4$-to-1复用策略，产量最高可提升5倍，尤其在低后选概率（$p=0.03$）时表现显著。
• 时间复用的光栅扫描策略将所需光源数量减少为输出光子数的倍数，显著降低硬件成本。
• 单层MZI网络在将随机生成的贝尔态路由至预分配输出模式组时，成功率超过70%，使用双层时可达100%。
• 新型复用器设计比Spanke网络小四至六倍，同时保持相当的主动开关深度，大幅减小了占用面积。
• 在开关网络中引入光栅扫描可实现完美效率，消除因未使用输入模式导致的浪费。
• 采用相位摆动需求更低（$>\pi/2$）的GMZIs，可实现更紧凑、更省电的开关实现。