[论文解读] Generation of optical Gottesman-Kitaev-Preskil states with cavity QED

Jacob Hastrup, Ulrik L. Andersen|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 35被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于腔量子电动力学（cavity QED）的确定性方法，用于在光学领域生成高保真度的Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）态，仅使用单一非高斯资源即可实现容错连续变量量子计算。模拟结果表明，即使在现实噪声和有限合作度条件下，未来近期内的实验也可实现超过10 dB压缩的GKP态。

ABSTRACT

Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states are a central resource for fault-tolerant optical continuous-variable quantum computing and communication. However, their realization in the optical domain remains to be demonstrated. Here we propose a method for preparing GKP states using a cavity QED system as the only non-Gaussian element. This system can be realized in several platforms such as trapped atoms, quantum dots or diamond color centers. We simulate the protocol with finite-cooperativity systems to evaluate the achievable quality of the produced GKP states in realistic noisy systems. We further combine the protocol with the previously proposed breeding protocol by Vasconcelos et al. to relax the demands on the quality of the QED system. We find that GKP states with more than 10 dB squeezing could be achieved in near-future experiments. Additionally, the approach can be made fully deterministic, thus providing a more scalable and hardware-efficient approach compared to probabilistic approaches based on photon counting.

研究动机与目标

• 为解决长期存在的在光学领域实验实现GKP态的挑战，而这类态对容错连续变量量子计算至关重要。
• 开发一种可扩展且硬件高效的方案，避免以往方法中常用的概率性光子计数技术。
• 证明仅通过腔QED系统作为非高斯资源，即可生成高质量的GKP态。
• 评估该协议在真实噪声条件下的性能，包括有限合作度和实验缺陷。
• 将该协议与Vasconcelos等人提出的“增殖协议”结合，以降低对QED系统品质的严苛要求。

提出的方法

• 将腔QED系统——可由俘获原子、量子点或金刚石色心实现——作为唯一非高斯性的来源，用于制备GKP态。
• 采用确定性协议，避免依赖光子计数进行后选择，从而提升可扩展性和资源效率。
• 在有限合作度系统中模拟该协议，以建模近期内实验平台中的真实噪声和退相干效应。
• 将所提出的协议与先前开发的增殖协议结合，从低质量初始资源中提炼出更高保真度的GKP态。
• 利用量子反馈和腔与量子比特之间的受控相互作用，构建GKP态所特有的相干态叠加。
• 分析生成的GKP态的压缩量和逻辑错误率，以量化其质量及容错潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过基于腔QED的确定性协议，在不依赖概率性光子计数的情况下，在光学领域生成高保真度的GKP态？
• RQ2 在具有实验噪声的现实有限合作度腔QED系统中，可实现多高的压缩量和保真度？
• RQ3 将该协议与增殖协议结合后，能否显著降低对底层QED系统品质的要求？
• RQ4 与现有概率性方法相比，该协议在可扩展性和硬件效率方面可达到何种程度？
• RQ5 使用该方法在近期内实验平台中，GKP态生成的实际极限是什么？

主要发现

• 所提出的协议实现了光学GKP态的确定性生成，相比概率性方案显著提升了资源效率。
• 模拟结果表明，在现实有限合作度系统中可实现超过10 dB压缩的GKP态。
• 该协议在真实噪声和退相干条件下仍具鲁棒性，证明其在近期内实验实现的可行性。
• 与增殖协议结合后，显著降低了对QED系统品质的要求，使该方法在当前技术条件下更具可及性。
• 该方法提供了一条仅使用单一非高斯资源即可实现可扩展且硬件高效的容错连续变量量子计算的路径。
• 结果表明，适用于容错量子信息处理的高保真度GKP态，已处于现有或近期内腔QED平台的实现能力范围内。