[论文解读] Optical Cluster-State Generation without Number-Resolving Photon Detectors

Mark M. Wilde, Federico M. Spedalieri+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2006

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出了一种利用非数分辨光子探测器的线性光学量子计算受控-相位门，通过利用偏振编码光子和内在的纠错机制，实现了1/4的成功概率。该方法使用由贝尔态制备的四量子比特辅助态，在无需数分辨探测器的情况下，即使在探测器暗计数率较低的条件下，也能以多项式开销实现可靠的光学簇态生成。

ABSTRACT

We show how to build a controlled-phase gate for linear optical quantum computing by using photon detectors that cannot resolve photon number. Our scheme uses polarization encoding of photons and includes an intrinsic error-correction circuit which can correct for errors introduced by the detectors. We generate a four-qubit ancilla state offline given a source of pure polarization-entangled Bell states. We use the four-qubit ancilla state in the operation of our controlled-phase gate for a success probability of 1/4. A recent result [1, 2] claims that a two-qubit gate with non-zero success probability can build an arbitrarily large cluster state with only polynomial overhead. Thus we can reliably generate optical cluster states without number-resolving detectors and with polynomial overhead if the dark count probability of the detectors is low.

研究动机与目标

• 开发一种在线性光学量子计算中无需数分辨光子探测器的受控-相位门。
• 仅使用标准光探测器（光子数分辨能力有限）实现大规模光学簇态的生成。
• 集成内在纠错机制，以减轻探测器引起的误差。
• 通过使用从贝尔态离线制备的四量子比特辅助态，实现1/4的可行成功概率。
• 证明在暗计数率较低的条件下，多项式开销足以实现可靠的簇态生成。

提出的方法

• 使用偏振编码光子来编码量子比特，避免检测中对数分辨的需求。
• 采用四量子比特辅助态，该态从纯偏振纠缠贝尔态离线制备，用于介导受控-相位门。
• 集成内在纠错电路，以纠正因探测器无法分辨光子数而引入的误差。
• 通过基于辅助态的协议，实现受控-相位门操作1/4的成功概率。
• 依赖于近期的理论结果，即任何具有非零成功概率的两量子比特门，均可通过多项式开销生成任意大的簇态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖数分辨光子探测器的情况下，在线性光学量子计算中实现受控-相位门？
• RQ2 在缺乏光子数分辨能力的情况下，如何纠正探测器引起的误差？
• RQ3 在使用非数分辨探测器和辅助态时，两量子比特门的可实现成功概率是多少？
• RQ4 当探测器缺乏数分辨能力时，是否可以以多项式开销生成大规模光学簇态？
• RQ5 探测器的暗计数概率在该方案的可扩展性中起什么作用？

主要发现

• 所提出的受控-相位门通过使用四量子比特辅助态和非数分辨探测器，实现了1/4的成功概率。
• 该方案集成了内在纠错机制，可补偿探测器无法分辨光子数所引入的误差。
• 使用偏振编码光子使得门操作无需复杂检测方案即可实现。
• 该协议可在仅多项式开销下实现可靠的光学簇态生成，该结论得到近期理论结果的支持。
• 当探测器的暗计数概率较低时，可实现可扩展性，确保在现实条件下实现容错操作。