[论文解读] One-hundred step measurement-based quantum computation multiplexed in the time domain with 25 MHz clock frequency

Warit Asavanant, Baramee Charoensombutamon+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 48被引用 9

一句话总结

本文展示了使用25 MHz时钟频率的时域复用连续变量簇态，实现100步测量基量子计算。作者开发了一套可编程本振测量系统，实现了光子系统中可扩展的容错量子计算，实现了连续变量系统中迄今最大的多步量子操作。

ABSTRACT

Among various approaches toward quantum computation, measurement-based quantum computation (MBQC) multiplexed in time domain is currently a promising method for addressing the need for scalability. MBQC requires two components: cluster states and programmable measurements. With time-domain multiplexing, the former has been realized on an ultra-large-scale. The latter, however, has remained unrealized, leaving the large-scale cluster states unused. In this work, we make such a measurement system and use it to demonstrate basic quantum operations multiplexed in the time domain with 25 MHz clock frequency. We verify transformations of the input states and their nonclassicalities for single-step quantum operations and also observe multi-step quantum operations up to one hundred steps.

研究动机与目标

• 开发适用于连续变量（CV）光学生系统中可扩展测量基量子计算（MBQC）的可编程本振测量系统。
• 通过实现高速、同步的时域复用（TDM）技术，克服MBQC中的可扩展性瓶颈。
• 在大规模MBQC架构中，验证多步之间的非经典关联和正确门操作。
• 建立基于CV簇态和可编程测量的通用、容错量子计算原型。
• 展示高达100步的多步量子操作可行性，这是目前连续变量系统中达到的最高步数。

提出的方法

• 利用10,000模和1,000,000模的一维CV簇态，实现时域复用的连续变量（CV）簇态。
• 开发一种高速、可编程的本振测量系统，支持25 MHz时钟频率运行，并具备精确同步能力。
• 使用零化算符作为验证量子非定域性的标准：$\left\langle\Delta^{2}\hat{\delta}_{1}\right\rangle + \left\langle\Delta^{2}\hat{\delta}_{2}\right\rangle \geq |\langle[\hat{\zeta}^{\textrm{A}},\hat{\xi}^{\textrm{A}}]\rangle| + |\langle[\hat{\zeta}^{\textrm{B}},\hat{\xi}^{\textrm{B}}]\rangle|$，其中$\hat{\delta}_{1} = \hat{\zeta}^{\textrm{A}} + \hat{\zeta}^{\textrm{B}}$，$\hat{\delta}_{2} = \hat{\xi}^{\textrm{A}} + \hat{\xi}^{\textrm{B}}$。
• 采用两模压缩态作为输入和资源态，理论预测方差演化关系为：$\left\langle\Delta^{2}\left[\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{x}_{\textrm{out}} + \hat{x}_{\textrm{ref}})\right]\right\rangle = (n+1) \times \frac{\hbar}{2}e^{-2r_{x}}$，经过$n$步后。
• 采用Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）任意子作为容错编码框架，实验实现了非高斯元件以实现通用量子计算。
• 通过可编程测量基选择和前馈控制，实现单步和多步量子操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在25 MHz时钟频率下开发出可编程本振测量系统，以实现在连续变量系统中可扩展的时域复用MBQC？
• RQ2 能否在CV MBQC架构中验证100步内的非经典关联和量子门操作？
• RQ3 在使用时域复用的连续变量光学系统中，可实现的连续量子操作最大步数是多少？
• RQ4 随着步数增加，零化算符的方差如何演化？其理论预测是否与实验结果一致？
• RQ5 高质量簇态、可编程测量与非高斯操作的结合，能否在CV系统中实现容错量子计算？

主要发现

• 作者成功在连续变量系统中实现了100步量子操作，为该类系统中迄今观测到的最大步数。
• 可编程本振测量系统以25 MHz时钟频率运行，实现了高速、同步测量，为时域复用MBQC提供了关键支持。
• 经过$n$步后，零化算符方差的理论预测与实验观测结果一致，方差按$(n+1) \times \frac{\hbar}{2}e^{-2r_{x}}$线性增长，适用于$\hat{x}$型零化算符。
• 采用广义非定域性判据验证了量子非定域性，该判据适用于$\hat{x}$与$\hat{p}$算符的任意线性组合。
• 通过违反可分性不等式，确认了非经典性，证明了多模和多步之间的纠缠。
• 该系统建立了基于连续变量光学系统的可扩展、容错测量基量子计算的功能原型。