[论文解读] Minimizing resource overhead in fusion-based quantum computation using hybrid spin-photon devices

Stephen C. Wein, Timothée Goubault de Brugière+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出一种混合自旋-光子架构，利用嵌入物质量子比特的确定性单光子源，以最小化融合型量子计算中的资源开销。通过采用重复直至成功（RUS）纠缠门，该方案实现了近确定性的24光子(2,2)-Shor编码6环资源态生成，其硬件需求相比概率性方案降低数个数量级，显著减少损耗，从而实现容错光量子计算。

ABSTRACT

We present three schemes for constructing a (2,2)-Shor-encoded 6-ring photonic resource state for fusion-based quantum computing, each relying on a different type of photon source. We benchmark these architectures by analyzing their ability to achieve the loss tolerance threshold for fusion-based quantum computation using the target resource state. More precisely, we estimate their minimum hardware requirements for fault-tolerant quantum computation in terms of the number of photon sources to achieve on-demand generation of resource states with a desired generation period. Notably, we find that a group of 12 deterministic single-photon sources containing a single matter qubit degree of freedom can produce the target resource state near-deterministically by exploiting entangling gates that are repeated until success. The approach is fully modular, eliminates the need for lossy large-scale multiplexing, and reduces the overhead for resource-state generation by several orders of magnitude compared to architectures using heralded single-photon sources and probabilistic linear-optical entangling gates. Our work shows that the use of deterministic single-photon sources embedding a qubit substantially shortens the path toward fault-tolerant photonic quantum computation.

研究动机与目标

• 为减少融合型量子计算（FBQC）中的资源开销，该问题仍是实现可扩展容错光量子计算的主要障碍。
• 解决概率性光子源与线性光学门在生成复杂图态时带来的高资源成本问题。
• 探索在最小化光子源与硬件组件数量的同时，实现7.5%高损耗容忍度的架构方案。
• 证明嵌入物质量子比特自由度的确定性单光子源可显著降低容错资源态生成所需的硬件规模。

提出的方法

• 设计三种不同的RSG架构：(1) 全光子架构，采用预告或确定性单光子源；(2) 使用确定性毛毛虫图态源；(3) 使用一组通过重复直至成功（RUS）CZ门纠缠的确定性源。
• 采用RUS纠缠门实现光量子比特之间的近确定性纠缠，利用微柱腔中量子点产生的高保真度、高不可区分性单光子。
• 采用模块化、可扩展的设计原则，避免大规模复用，并通过消除概率性后选择步骤减少损耗。
• 基于最低硬件需求进行架构基准测试——特别是实现所需资源态生成周期所必需的光子源数量。
• 在真实约束条件下对每种架构的性能进行建模与仿真，包括光子不可区分性、保真度及器件损耗。
• 聚焦于(2,2)-Shor编码的6环图态，该态在结合偏置测量时可实现7.5%的损耗容忍阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 嵌入物质量子比特自由度的确定性单光子源是否能显著降低生成融合型量子计算复杂光子资源态的资源开销？
• RQ2 与概率性线性光学门相比，使用重复直至成功（RUS）纠缠门在硬件效率与损耗容忍度方面表现如何？
• RQ3 实现近确定性生成24光子(2,2)-Shor编码6环资源态所需的最少光子源数量是多少？
• RQ4 模块化、确定性架构在多大程度上可消除光量子计算中对损耗性大规模复用的需求？
• RQ5 混合自旋-光子器件是否能实现容错量子计算，且相比当前概率性方法将硬件需求降低数个数量级？

主要发现

• 12个确定性单光子源，每个源具有一个物质量子比特自由度，可通过重复RUS C-Z门近确定性地生成目标(2,2)-Shor编码6环资源态。
• 所提出的基于RUS的架构相比采用预告单光子源与概率性线性光学纠缠门的架构，将资源开销降低了数个数量级。
• 该方案无需大规模复用即可实现近确定性资源态生成，从而最小化光子损耗并提升可扩展性。
• 该方法完全模块化且可重构，支持缺陷组件的便捷更换，并可针对不同量子任务实现动态重构。
• 在当前最先进的光子不可区分性（>99.5%）与保真度（单量子比特门>99.3%）条件下，该方法可实现保真度超过99.95%的24光子资源态。
• 当结合偏置测量时，该架构支持容错量子计算，具有7.5%的损耗容忍阈值，达到FBQC领域目前最佳已知阈值。