[论文解读] Distributed Quantum Computing in Silicon

Inc, Photonic, :+70 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 12

一句话总结

本论文展示在不同模块的硅T中心量子比特之间通过电信光纤实现远程纠缠分发以及远程CNOT门的实现，概述了在硅中可扩展的 Phase 3 量子网络的性能预测。

ABSTRACT

Commercially impactful quantum algorithms such as quantum chemistry and Shor's algorithm require a number of qubits and gates far beyond the capacity of any existing quantum processor. Distributed architectures, which scale horizontally by networking modules, provide a route to commercial utility and will eventually surpass the capability of any single quantum computing module. Such processors consume remote entanglement distributed between modules to realize distributed quantum logic. Networked quantum computers will therefore require the capability to rapidly distribute high fidelity entanglement between modules. Here we present preliminary demonstrations of some key distributed quantum computing protocols on silicon T centres in isotopically-enriched silicon. We demonstrate the distribution of entanglement between modules and consume it to apply a teleported gate sequence, establishing a proof-of-concept for T centres as a distributed quantum computing and networking platform.

研究动机与目标

• 激励一个可扩展的、网络化的量子计算架构，超越单一模块设备。
• 展示使用通信波段光子在远程硅T中心量子比特之间的纠缠分发。
• 演示使用分布式纠缠的遥控门序列（tCNOT）。
• 表征在同位素富集的硅中腔增强的T中心量子比特的自旋与光学性能。
• 为纠缠分发向容错分布式计算提供性能预测。

提出的方法

• 使用在独立低温制冷系统中内嵌T中心的硅光子芯片，通过20 m 光纤连接到一个50:50 光束分路器。
• 采用 Barrett-Kok 纠缠协议，通过双光子干涉（类似 Hong-Ou-Mandel 协议）来对分布式自旋纠缠进行先验告警。
• 使用MW/RF和光学循环，对电子自旋和氢核自旋进行初始化、读出和门操作。
• 测量PLE光谱、Purcell增强寿命和 g2(0) 以验证单光子发射和自旋初始化保真度。
• 在初步实验中，演示使用分布式贝尔对并结合局部操作和事后选择的遥控CNOT序列（tCNOT）。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅T centres 是否能够在通过电信光纤的空间分离模块之间产生高保真度的分布式纠缠？
• RQ2 是否可行利用纠缠的T中心量子比特来执行遥控门操作（遥控门）作为分布式量子计算平台？
• RQ3 在现有技术下，纠缠分发与远程操作的速率与保真度是多少，以及如何向容错分布式计算投影？
• RQ4 自旋相干时间与T中心的光学特性如何支撑 Phase 3 Quantum 的可扩展网络化量子处理？

主要发现

• 两个远程T中心量子比特在约40米光纤上通过 BK 协议实现了先验的自旋–自旋纠缠分布。
• 两光子干涉产生可测量的 HOM 可见度，从而实现分布式贝尔对的产生，保真度的上限为 (1+V)/2。
• Barrett-Kok 纠缠演示在40 ns时间窗内实现贝尔对保真度0.60(0.08)。
• 在模块之间以事后选择的方式证明了遥控CNOT（tCNOT）序列，验证了远程门执行的概念。
• T中心中的电子自旋和氢核自旋表现出较长的相干时间：电子 T2* 约 22.8 μs，T2 约 270 μs；核自旋 T2* 约 8.6 ms，T2 约 220 ms。
• 在改进的耦合和材料属性下，预计纠缠保真度可达 0.999（低速率）或约 200 kHz 时为 0.998。