[论文解读] Single-shot deterministic entanglement between non-interacting systems with linear optics

Leigh S. Martin, K. Birgitta Whaley|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于线性光学和实时反馈的单次、确定性纠缠协议，适用于非相互作用的量子系统，实现了100%的成功概率。通过采用光子计数或相干外差检测结合本地最优反馈控制，该方案突破了标准后选型协议的50%成功概率极限，在损耗和延迟存在的情况下仍能保持高保真度，适用于模块化量子计算和混合量子系统。

ABSTRACT

Measurement-based heralded entanglement schemes have served as the primary link between physically separated qubits in most quantum information platforms. However, the impossibility of performing a deterministic Bell measurement with linear optics bounds the success rate of the standard protocols to at most 50%, which means that the entanglement of the unheralded state is zero. Here we show that the ability to perform feedback during the measurement process enables unit success probability in a single shot. Our primary feedback protocol, based on photon counting retains the same robustness as the standard Barrett-Kok scheme, while doubling the success probability even in the presence of loss. In superconducting circuits, for which homodyne detectors are more readily available than photon counters, we give another protocol that can deterministically entangle remote qubits given existing parameters. In constructing the latter protocol, we derive a general expression for locally optimal control that applies to any continuous, measurement-based feedback problem.

研究动机与目标

• 克服基于线性光学和单光子探测的标准后选型纠缠协议所固有的50%成功率极限。
• 实现在非相互作用或远程量子系统（如捕集离子、超导量子比特或量子点）之间的确定性纠缠，以支持可扩展的量子计算。
• 开发一种基于反馈的协议，在存在实际实验缺陷（包括损耗、反馈延迟和路径长度波动）的情况下仍能保持高保真度和鲁棒性。
• 为连续测量基量子控制问题中的本地最优反馈控制提供一个通用框架，该框架可推广至特定纠缠方案之外的应用。
• 在当前实验参数下，利用外差检测实现在超导电路中的确定性纠缠，其中高速光子计数器尚未实现。

提出的方法

• 实施一种基于光子计数的协议，通过分束器和光子计数器进行贝尔态测量后，对原子量子比特态实施实时反馈。
• 应用从广义控制框架推导出的本地最优反馈哈密顿量，以在测量反作用和噪声影响下最大化纠缠保真度。
• 将Zhang等人（2018）提出的本地最优反馈形式化扩展至包含多个非对易反馈哈密顿量及一阶延迟修正的情形。
• 使用带有相关噪声项的随机主方程来建模动力学，整合具有时间延迟依赖性的测量反作用和反馈操作。
• 推导出一种闭式表达的本地最优反馈控制律，同时考虑瞬时和延迟的测量结果。
• 通过数值模拟在真实条件下验证该协议，包括光子损耗、损耗不对称性、路径长度波动以及Purcell增强腔体的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过线性光学和实时反馈，在非相互作用的量子比特之间实现确定性纠缠，从而绕过标准后选型方案的50%成功率极限？
• RQ2 反馈延迟如何影响基于测量的纠缠协议的保真度和成功率？能否推导出最优反馈以缓解其影响？
• RQ3 在外加实验参数下，外差检测是否可作为超导电路中光子计数的可行替代方案，以实现确定性纠缠？
• RQ4 对于具有非对易操作和时间延迟的连续测量基量子控制问题，本地最优反馈哈密顿量的一般形式是什么？
• RQ5 损耗、路径长度波动和非马尔可夫效应等实验缺陷在多大程度上会降低所提出反馈协议的性能？

主要发现

• 在理想条件下，基于光子计数的协议可在单次操作中实现100%的成功概率，超越标准后选型方案的50%极限。
• 该协议在真实损耗和路径长度波动下仍保持高保真度，在典型实验参数范围内保真度无明显下降。
• 该方案对反馈延迟具有中等程度的鲁棒性，尽管成功率有所降低，但保真度仍能维持，且已推导出一阶延迟下的本地最优反馈律。
• 对于超导电路，基于外差检测的协议在当前实验参数下可实现确定性纠缠，尽管其对损耗的鲁棒性低于光子计数方案。
• 本文推导出一种适用于多个非对易哈密顿量和一阶延迟修正的连续测量基反馈问题的通用、闭式本地最优反馈控制表达式。
• 数值模拟证实，该反馈协议在包括损耗不对称性和Purcell腔体引起的非马尔可夫效应等多种缺陷下，仍能保持高纠缠保真度。