[论文解读] Nonlocal photonic quantum gates over 7.0 km

Xiao Liu, Xiao‐Min Hu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science被引用 3

一句话总结

该论文首次在7.0公里的城域距离上实现了基于光子量子比特、复用量子存储器和现场部署的光纤的分布式量子计算网络。通过采用量子门 teleportation 和主动前馈控制实现非局域光子量子门，作者在远距离节点间实现了德乌斯-乔萨算法与量子相位估计算法的高保真度实现，标志着迈向可扩展、大规模量子网络的关键一步。

ABSTRACT

Quantum networks provide a prospective paradigm to connect separated quantum nodes, which relies on the distribution of long-distance entanglement and active feedforward control of qubits between remote nodes. Such approaches can be utilized to construct nonlocal quantum gates, forming building blocks for distributed quantum computing and other novel quantum applications. However, these gates have only been realized within single nodes or between nodes separated by a few tens of meters, limiting the ability to harness computing resources in large-scale quantum networks. Here, we demonstrate nonlocal photonic quantum gates between two nodes spatially separated by 7.0 km using stationary qubits based on multiplexed quantum memories, flying qubits at telecom wavelengths, and active feedforward control based on field-deployed fibers. Furthermore, we illustrate quantum parallelism by implementing the Deutsch-Jozsa algorithm and the quantum phase estimation algorithm between the two remote nodes. These results represent a proof-of-principle demonstration of quantum gates over metropolitan-scale distances and lay the foundation for the construction of large-scale distributed quantum networks relying on existing fiber channels.

研究动机与目标

• 通过克服单节点量子系统在距离与连通性方面的限制，实现可扩展的分布式量子计算。
• 解决利用现有光纤基础设施在长距离上实现非局域量子门的挑战。
• 在相距7.0公里的两个远程节点之间，演示高保真度的量子算法——德乌斯-乔萨算法与量子相位估计算法。
• 验证现场部署的光纤、电信波长飞行量子比特以及长寿命量子存储器在大规模量子网络中的可行性。
• 建立一个实用框架，为未来利用经典通信与主动前馈实现非局域门操作的量子网络提供支持。

提出的方法

• 利用周期性极化LiNbO₃（PPLN）波导中的自发参量下转换（SPDC）产生脉冲非简并纠缠光子对。
• 使用580 nm光子在基于¹⁵³Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体的量子存储器中进行存储，该存储器由隔振低温恒温器冷却。
• 通过现场部署的单模光纤将1537 nm光子作为飞行量子比特传输至7.0 km外的远程节点。
• 在偏振自由度（DOF）上编码控制与目标量子比特，本地两量子比特门在偏振与路径自由度之间实现。
• 通过专用光纤信道进行经典通信，利用电光调制器（EOMs）实施主动前馈控制，基于测量结果有条件地应用操作。
• 采用时间同步系统（TSS）、超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）和时间-数字转换器（TDCs），实现高保真度的态制备与测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在7.0公里现场部署的光纤上，利用光子量子比特与量子存储器可靠地实现非局域量子门？
• RQ2 在如此长的距离下，德乌斯-乔萨算法与量子相位估计算法等分布式量子算法能否以高保真度执行？
• RQ3 基于经典通信的主动前馈控制在真实光纤网络中，能在多大程度上实现确定性的非局域门操作？
• RQ4 电信波长飞行量子比特与复用量子存储器的组合在保持纠缠与实现远距离量子计算方面效果如何？
• RQ5 所展示的架构能否作为未来基于现有光纤基础设施的可扩展大规模量子计算网络的基础？

主要发现

• 在德乌斯-乔萨算法中，仅需每轮一次测量，即可实现超过91%的保真度，准确识别常数函数与平衡函数。
• 量子相位估计算法成功实现于四种不同的相位偏移（φ = 0, π/2, 5π/4, 3π/2），所有三次迭代均正确测量出二进制展开中的相位比特。
• 通过原子频率梳（AFC）存储器，¹⁵³Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体中的纠缠态保持时间为80.315 μs，符合计数显示背景噪声被抑制了100倍。
• 系统通过量子门teleportation实现了非局域CNOT类门，经典通信延迟通过主动前馈控制得到补偿。
• 使用7.0 km现场部署的光纤实现了稳定运行，损耗低且可见度高，验证了该架构的可扩展性。
• 结果证实，长寿命、复用的量子存储器与电信波长光子接口在远距离分布式量子计算中具有可行性。