[论文解读] Deterministic multi-mode gates on a scalable photonic quantum computing platform

Mikkel V. Larsen, Xueshi Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 66被引用 131

一句话总结

该论文展示了首个基于连续变量光学生态簇态的确定性、可编程、多模量子计算平台。通过在大规模二维时间编码簇态上施加相位可编程的正交测量，作者通过量子门 teleportation 实现了通用的高斯门集，实现了具有电信波长兼容性和可扩展性的容错量子计算潜力。

ABSTRACT

Quantum computing can be realized with numerous different hardware platforms and computational protocols. A highly promising approach to foster scalability is to apply a photonic platform combined with a measurement-induced quantum information processing protocol where gate operations are realized through optical measurements on a multipartite entangled quantum state -- a so-called cluster state. Heretofore, a few quantum gates on non-universal or non-scalable cluster states have been, but a full set of gates for universal scalable quantum computing has not been realized. We propose and demonstrate the deterministic implementation of a multi-mode set of measurement-induced quantum gates in a large two-dimensional (2D) optical cluster state using phase-controlled continuous variable quadrature measurements. Each gate is simply programmed into the phases of the high-efficiency quadrature measurements which execute the transformations by teleportation through the cluster state. Using these programmable gates, we demonstrate a small quantum circuit consisting of 10 single-mode gates and 2 two-mode gates on a three-mode input state. On this platform, fault-tolerant universal quantum computing is possible if the cluster state entanglement is improved and a supply of Gottesman-Kitaev-Preskill qubits is available. Moreover, it operates at the telecom wavelength and is therefore network connectable without quantum transducers.

研究动机与目标

• 开发一种基于连续变量测量型量子计算（MBQC）的可扩展、确定性且完全可编程的光子量子计算平台。
• 通过测量诱导的门 teleportation，仅使用高斯操作和 Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子比特实现通用量子计算。
• 通过提升簇态纠缠并集成 GKP 编码量子比特，实现容错量子计算。
• 通过在电信波长（1550 nm）下运行，实现网络连接性，无需量子中继器。
• 建立软硬件接口，将量子线路编译为相位设置，以实现高效本振测量。

提出的方法

• 该平台使用 Nτ 延迟线将时间编码的 1D 簇态卷曲成 2D 圆柱形结构，空间模式 A 和 B 位于时间模式 k 中。
• 来自两个 1550 nm 光学参量振荡器（OPO）的压缩光通过非对称干涉仪中的干涉生成簇态。
• 通过使用分束器和可调本振探测器（本地振荡器相位可控）对簇态模式进行投影正交测量来实现量子门。
• 门操作完全通过调节正交测量的测量基（相位）实现，从而通过簇态实现门 teleportation。
• 计算方案沿簇态圆柱体按时间顺序进行测量，匹配信息流，无需光学存储器。
• 系统利用 GKP 编码，仅通过高斯操作和纠错即可实现容错性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于连续变量簇态实现可扩展、确定性且完全可编程的光子量子计算平台？
• RQ2 能否通过测量型量子计算，仅使用高斯操作和 GKP 编码量子比特实现通用量子计算？
• RQ3 在实际实验设置中，门噪声如何随簇态压缩度、测量效率和相位稳定性而变化？
• RQ4 通过优化泵浦功率、光学效率和压缩带宽，门保真度最多可提升多少？
• RQ5 该平台能否在电信波长下运行，以实现未来光子网络的集成？

主要发现

• 作者在三维输入态上，利用二维簇态实现了包含 10 个单模门和 2 个双模门的完全确定性且可编程的多模量子线路。
• 测得的单模门噪声为 1.6 dB（1.4V₀），与基于 4.4 dB 初始动量压缩度的理论预测一致。
• 随着泵浦功率和光学效率的提高，门噪声降低，但由于当前设置中的损耗和相位波动而趋于饱和。
• 理论分析表明，若效率达到 ≥90% 且压缩带宽更宽（例如 100 MHz 对比 7.7 MHz），门噪声可进一步降低。
• 该平台在 1550 nm 下运行，可实现无需量子中继器的直接网络连接。
• 若提升簇态纠缠并提供 GKP 量子比特，该系统在容错连续变量 MBQC 模型下具备实现通用量子计算的潜力。