[论文解读] Efficient Linear Optics Quantum Computation

Emanuel Knill, Raymond Laflamme+1 more|ArXiv.org|Jun 20, 2000

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 27

一句话总结

本文提出线性光学量子计算（LOQC），证明仅使用单光子源、无源线性光学元件和具备经典前馈控制的光子探测器，即可实现通用量子计算。其关键贡献在于证明了可通过测量诱导的反馈使非确定性量子门变得可靠，从而在仅使用弱压缩态进行态制备的前提下实现可扩展的量子计算。

ABSTRACT

We investigate the computational power of passive and active linear optical elements and photo-detectors. We show that single photon sources, passive linear optics and photo-detectors are sufficient for implementing reliable quantum algorithms. Feedback from the detectors to the optical elements is required for this implementation. Without feedback, non-deterministic quantum computation is possible. A single photon source sufficient for quantum computation can be built with an active linear optical element (squeezer) and a photo-detector. The overheads associated with using only linear optics appear to be sufficiently low to make quantum computation based on our proposal a viable alternative.

研究动机与目标

• 确定仅使用无源线性光学、光子探测器和单光子源是否可实现通用量子计算。
• 研究反馈与测量在将非确定性光学量子门转化为确定性量子运算中的作用。
• 评估基于线性光学元件和光探测的量子计算在可行性与可扩展性方面的潜力，而无需强光学非线性。
• 确立仅使用弱压缩态与非确定性光源，结合测量和经典前馈，即可实现通用量子计算。

提出的方法

• 本文将量子比特编码为两个光学模式中的单光子态，其中 |0⟩ 表示光子位于模式 1，|1⟩ 表示光子位于模式 2。
• 采用无源线性光学元件——相位延迟器与分束器——通过创建算符上的酉变换实现，所有操作均可由这些元件的级联构成。
• 光子探测器的测量结果经经典处理后，用于条件性地施加后续操作，从而实现反馈控制的量子门。
• 通过双路径干涉仪实现非确定性受控-相位门，其中成功操作由四光子符合检测结果所预告。
• 该方法依赖于由线性光学生成的连续泡利群的正规化子，真空态与光探测共同提供了实现通用性所必需的非稳定化资源。
• 通过使用量子误差校正码编码逻辑量子比特，实现可扩展性，降低资源开销并支持容错操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用无源线性光学、单光子源和光子探测器是否可实现通用量子计算？
• RQ2 经典前馈在将非确定性光学门转化为可靠、确定性量子操作中起到何种作用？
• RQ3 为生成可支持通用量子计算的单光子源，需要多大程度的压缩？
• RQ4 量子误差校正码能否降低线性光学量子计算的资源开销，从而实现可扩展性？
• RQ5 在基于线性光学的系统中，实现通用量子门集所需的最小物理资源是什么？

主要发现

• 仅使用单光子源、无源线性光学元件和具备经典前馈控制的光子探测器，即可实现通用量子计算。
• 通过基于测量的反馈，非确定性量子门可被可靠化，从而在门操作具有概率性的情况下仍能实现确定性计算。
• 仅需弱压缩态，且其使用仅限于单光子态制备，而无需用于门操作。
• 使用量子误差校正码可显著降低线性光学量子计算相关的资源开销，提升可扩展性。
• 所提出的方案可实现近似确定性的量子隐形传态与偶 parity 测量，适用于光子量子比特，具有在量子通信中的直接应用价值。
• LOQC 的理论资源开销足够低，即使在当前实验限制下，仍可作为其他量子计算方案的可行替代方案。