[논문 리뷰] Time-Domain Multiplexed 2-Dimensional Cluster State: Universal Quantum Computing Platform

Warit Asavanant, Yu Shiozawa외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 10.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 28인용 수 83

한 줄 요약

우리는 대규모의 시간 영역 다중화된 2D 연속변수 클러스터 상태를 실험적으로 구현하여 보편적 측정기반 양자계산과 CV MBQC를 위한 확장 가능한 자원 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum computation promises applications that are thought to be impossible with classical computation. To realize practical quantum computation, the following three properties will be necessary: universality, scalability, and fault-tolerance. Universality is the ability to execute arbitrary multi-input quantum algorithms. Scalability means that computational resources such as logical qubits can be increased without requiring exponential increase in physical resources. Lastly, fault-tolerance is the ability to perform quantum algorithms in presence of imperfections and noise. A promising approach to scalability was demonstrated with the generation of one-million-mode 1-dimensional cluster state, a resource for one-input computation in measurement-based quantum computation (MBQC). The demonstration was based on time-domain multiplexing (TDM) approach using continuous-variable (CV) optical flying qumodes (CV analogue of qubit). Demonstrating universality, however, has been a challenging task for any physical system and approach. Here, we present, for the first time among any physical system, experimental realization of a scalable resource state for universal MBQC: a 2-dimensional cluster state. We also prove the universality and give the methodology for utilizing this state in MBQC. Our state is based on TDM approach that allows unlimited resource generation regardless of the coherence time of the system. As a demonstration of our method, we generate and verify a 2-dimensional cluster state capable of about 5,000 operation steps on 5 inputs.

연구 동기 및 목표

• 보편 CV MBQC에 적합한 확장 가능한 2D 클러스터 상태의 최초 실험적 실현을 시연한다.
• 생성된 상태로 보편성을 보여주고 보편적 MBQC를 수행하기 위한 방법론을 제시한다.
• 유한한 일관성 시간에 강인하고 다수 입력으로 확장 가능한 시간 영역 다중화 생성 체계를 설명한다.
• nullifier를 통한 얽힘 검증 평가와 squeezed 수준에 따른 오류 내성 가능성을 입증한다.
• CV 클러스터 상태를 이용한 오류 내성이 있는 보편 양자계산으로 가는 실용적 경로를 논의한다.

제안 방법

• 네 개의 squeezed-light 소스, 빔스플리터, 두 개의 광 지연선을 사용하여 시간 영역 다중화를 통해 2D CV 클러스터 상태를 생성한다.
• 회전당 N개의 매크로노드를 갖는 나선형 그래프를 형성하고 각 매크로노드를 k−N, k−1, k+1, 및 k+N에 연결하여 2D 구조를 구현한다.
• Nullifiers를 사용하여 상태를 특성화하고, 각 시간 모드 지수 k에 대해 네 가지 nullifier 유형을 두며 분산이 −4.5 dB 샷 노이즈 이하일 때 얽힘을 검증한다.
• 임의의 가우시안 연산을 가능하게 하는 프로그래머블 호모다인 측정 기저를 통한 양자 텔레포테이션으로 보편적 MBQC를 구현하고, 비가우시안 측정이나 GKP 기반 스킴을 통한 비가우시안 연산으로 보완한다.
• 약 5,000개의 작동 단계 수행 능력을 5개의 입력에서 시연함으로써 보편성을 검증하며, 24,960개의 시간 모드(k 최대 6,240)와 4×6,240 매크로노드를 사용한다.
• 더 높은 squeezing과 CV 오류 정정 스킴을 통한 확장성과 오류 내성 가능성을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 영역 다중화 접근이 보편적 CV MBQC에 적합한 확장 가능한 2D 클러스터 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 생성된 2D CV 클러스터 상태로 달성 가능한 계산의 보편성은 어느 정도이며, 가우시안 및 비가우시안 연산은 어떻게 구현될 수 있는가?
• RQ3 다수의 시간 모드를 가로지르는 nullifier를 통해 큰 2D 클러스터 상태의 얽힘 구조를 어떻게 검증할 수 있는가?
• RQ4 현재의 squeezing 및 일관성 제약을 고려할 때 입력 크기와 작동 단계의 실질적 한계는 무엇인가?
• RQ5 이 플랫폼을 이용한 오류 내성이 있는 보편 CV 양자계산의 전망과 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• 보편적 CV MBQC가 가능한 대규모 2D 클러스터 상태를 성공적으로 생성하고 검증했다.
• 최대 24,960개의 시간 모드(k 최대 6,240)에서 분산이 −4.5 dB 미만인 네 가지 유형의 nullifier를 측정했다.
• N=5 입력으로 2D 클러스터 상태 구조를 시연했고 5 입력에서 약 5,000개의 단계 작동 능력을 보여주었다.
• 더 높은 squeezing이 CV 오류 수정 스킴을 통해 오류 내성을 가능하게 할 수 있음을 보였다.
• 4개의 squeezed 소스, 5개의 빔스플리터, 2개의 지연선을 이용한 확장 가능 생성 방법을 제공하여 일관성 제약 내에서 임의로 큰 2D 클러스터 상태를 가능하게 한다.