[论文解读] Deterministic Generation of Multidimensional Photonic Cluster States with a Single Quantum Emitter

Vinicius S. Ferreira, Gihwan Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Quantum optics and atomic interactions被引用 7

一句话总结

本文提出了一种确定性、资源高效的2D光子簇态生成方法，利用单个超导transmon量子比特作为微波电路中的量子发射源。通过采用慢光波导和可切换镜像量子比特实现时间延迟反馈，作者实现了四光子量子比特簇态的确定性发射，保真度达70%，为测量型量子计算提供了可扩展的片上量子资源态生成方案。

ABSTRACT

Multidimensional photonic graph states, such as cluster states, have prospective applications in quantum metrology, secure quantum communication, and measurement-based quantum computation. However, to date, generation of multidimensional cluster states of photonic qubits has relied on probabilistic methods that limit the scalability of typical generation schemes in optical systems. Here we present an experimental implementation in the microwave domain of a resource-efficient scheme for the deterministic generation of 2D photonic cluster states. By utilizing a coupled resonator array as a slow-light waveguide, a single flux-tunable transmon qubit as a quantum emitter, and a second auxiliary transmon as a switchable mirror, we achieve rapid, shaped emission of entangled photon wavepackets, and selective time-delayed feedback of photon wavepackets to the emitter qubit. We leverage these capabilities to generate a 2D cluster state of four photons with 70\% fidelity, as verified by tomographic reconstruction of the quantum state. We discuss how our scheme could be straightforwardly extended to the generation of even larger cluster states, of even higher dimension, thereby expanding the scope and practical utility of such states for quantum information processing tasks.

研究动机与目标

• 解决光学系统中概率性光子簇态生成的可扩展性限制。
• 开发一种仅使用单个量子发射源的确定性方法，用于生成多维光子簇态。
• 通过慢光波导和可切换镜像量子比特实现时间延迟反馈机制，用于纠缠工程。
• 展示适用于测量型量子计算的高保真度2D簇态生成。
• 识别利用现有硬件改进实现更大规模和更高维度簇态扩展的路径。

提出的方法

• 利用磁通调谐的transmon量子比特作为确定性量子发射源，生成持续时间最短达30 ns的整形微波光子波包。
• 采用耦合共振器阵列作为慢光波导（SLWG），引入受控时间延迟以实现光子反馈。
• 使用第二个磁通调谐的transmon量子比特作为可切换镜像，选择性地将发射的光子反射回发射源，实现时间延迟反馈。
• 应用时间延迟反馈以构建非最近邻纠缠，从而通过顺序光子发射构建2D簇态。
• 采用量子过程层析技术表征反馈机制，利用量子态层析技术重构并验证生成的簇态。
• 利用电路量子电动力学中强的量子比特-光子耦合，实现高保真度纠缠和门操作，模拟中CZ门保真度估计为97%。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个超导电路中的量子发射源能否确定性地生成多维光子簇态？
• RQ2 如何利用慢光波导和可切换镜像实现时间延迟反馈，以构建2D簇态的非最近邻纠缠？
• RQ3 通过此确定性反馈方案生成的2D簇态可实现的保真度是多少？
• RQ4 为实现3D簇态或更大规模2D簇态的扩展，需要哪些硬件和制造改进？
• RQ5 该方法能否在测量型量子计算中实现容错逻辑误差抑制？

主要发现

• 作者通过量子态层析技术实验验证，成功生成了四光子微波簇态，保真度达70%。
• 通过量子过程层析技术表征时间延迟反馈机制，证实了发射光子与发射量子比特之间存在相干相互作用。
• 模拟中CZ门的保真度估计为97%，实验中90%的保真度主要受限于SPAM误差。
• 该方案具有可扩展性：通过增加慢光波导中单元数或减小单元尺寸，可使簇态规模提升一个数量级。
• 引入声学延迟线可进一步延长往返延迟时间，降低对封装引起的损耗的敏感性。
• 通过在延迟线中间位置增加第二个镜像量子比特，可实现两种不同的反馈延迟，从而实现3D簇态的扩展。