[论文解读] Photonic fusion of entangled resource states from a quantum emitter

Yijian Meng, Carlos F. D. Faurby+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2023

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 6

一句话总结

该论文首次通过固态量子发射器实现了光子纠缠资源态的实验融合，利用自旋-光子接口实现了近确定性的纠缠生成和概率性光子融合门。关键成果是成功执行了融合操作，测得的ZZ、XX和YY自旋关联保真度分别为18(3)%、31(2)%和33(2)%，验证了基于融合的光子量子计算的可扩展路径。

ABSTRACT

Fusion-based photonic quantum computing architectures rely on two primitives: i) near-deterministic generation and control of constant-size entangled states and ii) probabilistic entangling measurements (photonic fusion gates) between entangled states. Here, we demonstrate these key functionalities by fusing resource states deterministically generated using a solid-state spin-photon interface. Repetitive operation of the source leads to sequential entanglement generation, whereby curiously entanglement is created between the quantum states of the same spin at two different instances in time. Such temporal multiplexing of photonic entanglement provides a resource-efficient route to scaling many-body entangled systems with photons.

研究动机与目标

• 展示由单个量子发射器生成的纠缠资源态之间的光子融合。
• 通过确定性资源态生成与概率性融合门，验证基于融合的量子计算（FBQC）的可行性。
• 通过自旋态关联对光子融合操作的性能进行基准测试，作为内在门保真度的代理指标。
• 识别并分析融合过程中的主要噪声源，特别是自旋噪声，以指导未来改进。

提出的方法

• 利用无应变GaAs液滴外延量子点构建的固态自旋-光子接口，生成近确定性的光子贝尔态。
• 采用时间复用融合技术，通过在不同发射周期中延迟来自同一发射器的光子，实现时间域融合。
• 实施线性光学贝尔态分析器，成功概率为50%，用于执行光子融合测量。
• 通过融合结果条件化的联合自旋关联测量，推断光子融合门的保真度与误码率。
• 利用自旋量子比特读出技术探测融合结果的保真度，将自旋误码视为内在光子门误码的上限。
• 通过补充分析评估噪声贡献，识别出核自旋噪声是系统中主要的误差来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过时间复用技术，在单个量子发射器生成的纠缠资源态之间实现光子融合？
• RQ2 当通过自旋态关联进行基准测试时，光子融合门的保真度与误码率是多少？
• RQ3 内在自旋噪声与背景光子如何影响光子网络中融合操作的性能？
• RQ4 通过改善自旋系统，特别是降低核自旋噪声，能否显著降低融合操作的误码率？
• RQ5 该方法能否实现仅使用少量物理光源的可扩展、资源高效的基于融合的光子量子计算？

主要发现

• 融合操作在ψ⁺结果下实现了18(3)%的ZZ自旋关联保真度，在ψ⁻结果下为19(2)%，表明实现了高保真度的纠缠传递。
• 在ψ⁺下，XX与YY的误码率分别为31(2)%与33(2)%；在ψ⁻下，两者均为33(2)%，表明在不同结果间性能一致。
• 融合失败事件（ϕ±）的ZZ误码率高达32(4)%，主要源于残余背景光子。
• 研究识别出自旋噪声是误差预算中的主要贡献者，表明改进自旋系统可显著降低误码率。
• 结果表明，通过结合确定性资源态生成与光子融合，可实现通往容错光子量子计算的可行路径。
• 该方法可通过重复融合操作，仅使用数十至数百个量子发射器，实现可扩展的量子网络。