[论文解读] Loss tolerant one-way quantum computation -- a horticultural approach

Michael Varnava, Dan E. Browne+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2005

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种无损的一方量子计算方案，可被动容忍高达50%的量子比特丢失，且无需相干测量或校正。应用于线性光学量子计算时，表明检测器效率低至50%或光子源纯度高于66.6%时，仍可实现高效通用量子计算。

ABSTRACT

We introduce a scheme for fault tolerantly dealing with losses in cluster state computation that can tolerate up to 50% qubit loss. This is achieved passively - no coherent measurements or coherent correction is required. We then use this procedure within a specific linear optical quantum computation proposal to show that: (i) given perfect sources, detector inefficiencies of up to 50% can be tolerated and (ii) given perfect detectors, the purity of the photon source (overlap of the photonic wavefunction with the desired single mode) need only be greater than 66.6% for efficient computation to be possible.

研究动机与目标

• 开发一种无需主动校正或相干测量的容错方法，以应对一方量子计算中的量子比特丢失问题。
• 解决线性光学量子计算（LOQC）中高光子丢失和检测器效率低下的挑战，这些因素严重限制了其可扩展性和保真度。
• 确定在现实损失和检测约束条件下，实现高效通用量子计算所需的最低光子源纯度。
• 证明基于簇态的量子计算可实现被动损失容忍，使系统对高达50%的量子比特丢失具有鲁棒性。

提出的方法

• 提出一种被动方案，通过利用簇态的结构，在一方量子计算中天然容忍高达50%的量子比特丢失。
• 提出一种方法，通过依赖簇态对丢失的内在鲁棒性，避免相干测量和校正。
• 将该方案应用于特定的线性光学量子计算方案，以分析其对检测器效率和源纯度的容忍能力。
• 使用簇态形式化方法建模损失和检测器效率的影响，推导出可接受误差率的边界。
• 分析光子波函数重叠（源纯度）对计算成功率的影响，表明66.6%的纯度足以实现效率。
• 证明该方案在两种不同现实约束下依然有效：理想光源配合50%检测器效率，或理想检测器配合66.6%的源纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不使用相干校正或测量的情况下，使一方量子计算对高达50%的量子比特丢失具有鲁棒性？
• RQ2 在使用所提出的无损容忍方案时，线性光学量子计算中可容忍的最大检测器效率低限是多少？
• RQ3 在现实损失和检测条件下，实现高效量子计算所需的最低光子源纯度是多少？
• RQ4 所提出的方案如何在高损失和非理想检测条件下保持计算通用性？

主要发现

• 所提出的方案可在一方量子计算中被动容忍高达50%的量子比特丢失，且无需相干测量或校正。
• 在理想光子源条件下，该方案可容忍高达50%的检测器效率损失，同时保持高效通用量子计算。
• 在理想检测器条件下，若光子源纯度（由与理想单模的波函数重叠定义）大于66.6%，该方案仍保持高效。
• 该方法通过簇态中的结构鲁棒性实现容错，消除了对主动纠错程序的需求。
• 结果表明，诸如损失和检测器效率等现实实验缺陷可通过被动方式补偿，从而实现可扩展的LOQC。