[论文解读] Propagating Gottesman-Kitaev-Preskill states encoded in an optical oscillator

Shunya Konno, Warit Asavanant+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 6

一句话总结

该论文首次在连续变量光学生态系统中实现了在通信波长下传播的Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子比特的实验实现，采用本振测量技术，无需损耗校正。该工作在可扩展、光纤兼容的平台上实现了非经典性和非高斯特性，通过线性光学和量子 teleportation 实现容错量子计算。

ABSTRACT

A quantum computer with low-error, high-speed quantum operations and capability for interconnections is required for useful quantum computations. A logical qubit called Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) qubit in a single Bosonic harmonic oscillator is efficient for mitigating errors in a quantum computer. The particularly intriguing prospect of GKP qubits is that entangling gates as well as syndrome measurements for quantum error correction only require efficient, noise-robust linear operations. To date, however, GKP qubits have been only demonstrated at mechanical and microwave frequency in a highly nonlinear physical system. The physical platform that naturally provides the scalable linear toolbox is optics, including near-ideal loss-free beam splitters and near-unit efficiency homodyne detectors that allow to obtain the complete analog syndrome for optimized quantum error correction. Additional optical linear amplifiers and specifically designed GKP qubit states are then all that is needed for universal quantum computing. In this work, we realize a GKP state in propagating light at the telecommunication wavelength and demonstrate homodyne meausurements on the GKP states for the first time without any loss corrections. Our GKP states do not only show non-classicality and non-Gaussianity at room temperature and atmospheric pressure, but unlike the existing schemes with stationary qubits, they are realizable in a propagating wave system. This property permits large-scale quantum computation and interconnections, with strong compatibility to optical fibers and 5G telecommunication technology.

研究动机与目标

• 在传播光场中实现GKP量子比特，以实现可扩展且可互联的量子计算。
• 在室温和大气压条件下，展示连续变量光学生态系统中GKP态的非经典性和非高斯特性。
• 验证线性光学操作和量子 teleportation 在GKP编码量子比特的稳定子测量与纠错中的可行性。
• 使用稳定子标准建立GKP态非经典性和非高斯性的实验基准。
• 实现与现有光纤和5G通信基础设施兼容，以支持大规模量子网络。

提出的方法

• 通过压缩光与位移操作的组合，在单个光模态中编码GKP态，以在正交空间中生成周期性网格结构。
• 在无损耗、高效率检测装置中对编码的GKP态进行本振测量，以提取完整的模拟稳定子信息，用于量子误差校正。
• 采用基于稳定子的标准量化非经典性和非高斯性，将实验结果与经典和高斯极限进行比较。
• 通过贝尔测量与前馈位移实现量子 teleportation 协议，以实施逻辑操作与错误恢复。
• 对Wigner函数进行高斯操作校正，以准确评估测量态中的非经典与非高斯特征。
• 采用参量振荡器装置生成制备GKP态所需的压缩态与位移操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 GKP量子比特是否能在无损耗校正的通信波长下，在传播光场中成功编码与测量？
• RQ2 在标准判据下，实验生成的GKP态是否表现出非经典性和非高斯特性？
• RQ3 测量的稳定子值在多大程度上超越了经典和高斯极限，表明真正的量子优势？
• RQ4 线性光学操作与量子 teleportation 是否能有效用于GKP编码量子比特的稳定子测量与纠错？
• RQ5 该光学生态系统是否与现有光纤与5G通信技术兼容，以支持可扩展的量子网络？

主要发现

• 实验成功在通信波长下于传播光场中生成并测量了GKP态，在室温和大气压下表现出非经典性与非高斯性。
• 测量的 $ C_1(g) $ 稳定子值同时超越了经典极限与高斯极限，证实了该态具有真实的非高斯特性。
• 对于 $ C_2(g) $，经典极限被违反，但未超过高斯极限，表明该态表现出非经典性但非强非高斯特征。
• 最大值 $ ilde{C}_{1, ext{cl}} = ext{exp}(- ext{π}) $ 被超越，证实了非经典性超越经典界限。
• 结果表明，该GKP态在实验条件下具有鲁棒性，并与线性光学操作兼容，支持容错量子计算。
• 该工作建立了一个可扩展、光纤兼容的GKP量子比特平台，为大规模量子计算与光网络中的互联铺平了道路。