[论文解读] Multi-qubit time-bin quantum RAM

E. S. Moiseev, S. A. Moiseev|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Quantum optics and atomic interactions被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于两个耦合QED腔中阻抗匹配的光子 echo 量子存储的紧凑型多量子比特量子随机存取存储器（qRAM），并引入一个控制三能级原子。该方案通过时间-比特寻址实现高效、可逆的单光子存储与读取，在光子分子的协作度等于1时达到最大效率，该条件可通过当前的光学生和微波技术实现。

ABSTRACT

We have proposed a scheme of multi-qubit extit{quantum random access memory} (qRAM) based on the impedance matched photon echo quantum memory incorporated together with the control three-level atom in two coupled QED cavities. A set of matching conditions for basic physical parameters of the qRAM scheme that provides an efficient quantum control of the fast single photon storage and read-out has been found. In particular, it was found that the qRAM operation is determined by the properties of the photonic molecular realized in the qRAM dynamics. Herein, the maximal efficiency of the qRAM is achieved when the cooperativety parameter of the photonic molecular equals to unity that can be easily experimentally implemented. The quantum address of the stored photonic qubits can be put into practice when the address is encoded in photonic multi-time-bin state. We discuss the advantages of the qRAM in terms of working with multi-qubit states and the implementation by current quantum technologies in the optical and microwave domains.

研究动机与目标

• 设计一种适用于通用量子计算与通信的可扩展、紧凑型qRAM架构。
• 通过实现单设备多量子比特存储，克服传统桶式级联qRAM架构的局限性。
• 利用阻抗匹配的光子 echo 量子存储，实现高效率、可逆的光子存储与读取。
• 通过控制原子的叠加态实现多时间-比特编码，实现光量子比特的量子寻址。
• 识别在光学与微波领域中，利用现有量子技术可实验实现的物理参数。

提出的方法

• 利用两个耦合的QED腔，以单个三能级原子作为控制元件，实现类似量子晶体管的光子开关功能。
• 在具有非均匀展宽的原子系综中采用光子 echo 量子存储，实现多模、多量子比特存储。
• 实施阻抗匹配条件（C_QT = 1 及公式 (7)、(8)），以确保在宽光谱窗口内实现宽带、高效率的光子存储与读取。
• 将控制原子与原子系综形成的光子分子作为量子控制元件，其在协作度为1时性能最优。
• 通过将控制原子制备在共振（传输）与失谐（阻断）状态的叠加态，实现对量子地址的时间-比特编码。
• 依赖幺正演化，将输入光子态与存储的多量子比特态相干纠缠，实现叠加态访问。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用现有量子硬件在单个紧凑器件中实现多量子比特qRAM？
• RQ2 在时间-比特寻址的qRAM中，何种物理条件可使光子存储与读取效率最大化？
• RQ3 QED腔中的控制原子能否作为单光子传输的可逆开关？
• RQ4 如何通过多时间-比特编码实现光量子比特的量子寻址？
• RQ5 在光学或微波领域中，实现此类qRAM的实验可行参数有哪些？

主要发现

• 当光子分子的协作度参数等于1时，qRAM的效率达到最大值，该条件在实验上可实现。
• 阻抗匹配条件（C_QT = 1 及公式 (7)、(8)）确保在宽光谱范围内实现宽带、高效率的光子存储与读取。
• qRAM的操作基于纯粹的幺正演化，生成M个双光子态的叠加，实现相干的多量子比特访问。
• 该方案支持记忆体的任意初始量子态，包括与环境自由度纠缠的态。
• 光-原子相互作用的时间反演对称性实现了可逆的量子寻址，支持相干的存储与读取。
• 所提出的架构与现有的电路和腔QED平台兼容，包括超导量子比特及固态发射器（如NV色心或量子点）。