[论文解读] Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing

Héctor Bombín, Isaac H. Kim+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 28

一句话总结

论文提出一种模块化的 FBQC 架构，使用交错模块（一个资源状态生成器、融合设备和光纤延迟）来扩展光子量子计算，并在光纤内存辅助下实现通过表面码的通用容错操作。

ABSTRACT

Useful fault-tolerant quantum computers require very large numbers of physical qubits. Quantum computers are often designed as arrays of static qubits executing gates and measurements. Photonic qubits require a different approach. In photonic fusion-based quantum computing (FBQC), the main hardware components are resource-state generators (RSGs) and fusion devices connected via waveguides and switches. RSGs produce small entangled states of a few photonic qubits, whereas fusion devices perform entangling measurements between different resource states, thereby executing computations. In addition, low-loss photonic delays such as optical fiber can be used as fixed-time quantum memories simultaneously storing thousands of photonic qubits. Here, we present a modular architecture for FBQC in which these components are combined to form "interleaving modules" consisting of one RSG with its associated fusion devices and a few fiber delays. Exploiting the multiplicative power of delays, each module can add thousands of physical qubits to the computational Hilbert space. Networks of modules are universal fault-tolerant quantum computers, which we demonstrate using surface codes and lattice surgery as a guiding example. Our numerical analysis shows that in a network of modules containing 1-km-long fiber delays, each RSG can generate four logical distance-35 surface-code qubits while tolerating photon loss rates above 2% in addition to the fiber-delay loss. We illustrate how the combination of interleaving with further uses of non-local fiber connections can reduce the cost of logical operations and facilitate the implementation of unconventional geometries such as periodic boundaries or stellated surface codes. Interleaving applies beyond purely optical architectures, and can also turn many small disconnected matter-qubit devices with transduction to photons into a large-scale quantum computer.

研究动机与目标

• 需要在光子架构中实现对大量物理量子比特的容错量子计算的动机。
• 引入将 RSG、融合设备与长期光纤延迟结合起来以倍增可用量子比特的互嵌模块。
• 展示互嵌模块网络如何利用表面码和格子手术实现通用的容错量子计算。
• 展示使用基于光纤的存储的实际性能，包括损耗容忍性和可扩展性方面的好处。
• 探讨非局部光纤连接如何实现非常规几何形状并潜在降低逻辑操作成本。

提出的方法

• 将互嵌定义为使用长的 n-延时来增加由 RSG 网络产生的融合图切片大小。
• 描述两种互嵌方案：分层互嵌（k-延时通过 k 增加活跃量子比特）和栅格化互嵌（L 栅格长度，在 L^2 的 RSG 循环中产生 L^2 切片）。
• 提出一个模块化硬件架构：包含一个 RSG、多个融合设备、开关和宏观延迟的互嵌模块阵列。
• 使用6环资源状态来构建简单的立方体融合图，并将其映射到具有互嵌坐标 (g,t) 的硬件模块。
• 将 FBQC 与容错表面码和格子手术联系起来，详细说明如何通过融合图实现逻辑操作。
• 给出带有千米级光纤延迟的损耗容忍性和性能的数值分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光纤延迟帮助下，单个资源状态生成器（RSG）是否能够模拟成千上万的静态物理量子比特？
• RQ2 互嵌模块网络是否能够实现使用表面码和格子手术的通用容错量子计算？
• RQ3 长光纤延迟和非局部连接如何影响逻辑操作的效率和资源成本？
• RQ4 互嵌在 FBQC 中的实际损耗容忍性和可扩展性影响是什么？
• RQ5 互嵌结构是否能够容纳非常规几何和扩展连接性（如星形表面码）？

主要发现

• 单个 RSG 加上光纤延迟可以生成成千上万的资源状态，从而在容错计算中有效地模拟成千上万的静态量子比特。
• 互嵌模块网络是使用表面码和格子手术作为引导协议的通用容错量子计算机。
• 在1-km 光纤延迟下，单个 RSG 能在码距离为35时新增约四个逻辑表面码量子比特，同时容忍光子损耗和光纤延迟损耗之和超过2%。
• 互嵌方法使非局部光纤连接成为可能，从而降低逻辑操作成本并实现非常规几何形状，如周期边界和星形代码。
• 栅格化模块的互嵌比率随 L^2 增长，提供线性时空权衡：更多逻辑量子比特以代价换取更慢的生成，或以同等比特数使用更少的 RSG。
• 该框架不仅适用于纯光子，还可以利用传输的固态量子比特作为自治的 RSG，在更大的光子网络中发挥作用。