[论文解读] Time-Domain Multiplexed 2-Dimensional Cluster State: Universal Quantum Computing Platform

Warit Asavanant, Yu Shiozawa+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用 83

一句话总结

我们通过实验实现了一个大规模、时域多路复用的二维连续变量簇态，该簇态可实现通用的基于测量的量子计算并为CV MBQC的可扩展资源生成提供支持。

ABSTRACT

Quantum computation promises applications that are thought to be impossible with classical computation. To realize practical quantum computation, the following three properties will be necessary: universality, scalability, and fault-tolerance. Universality is the ability to execute arbitrary multi-input quantum algorithms. Scalability means that computational resources such as logical qubits can be increased without requiring exponential increase in physical resources. Lastly, fault-tolerance is the ability to perform quantum algorithms in presence of imperfections and noise. A promising approach to scalability was demonstrated with the generation of one-million-mode 1-dimensional cluster state, a resource for one-input computation in measurement-based quantum computation (MBQC). The demonstration was based on time-domain multiplexing (TDM) approach using continuous-variable (CV) optical flying qumodes (CV analogue of qubit). Demonstrating universality, however, has been a challenging task for any physical system and approach. Here, we present, for the first time among any physical system, experimental realization of a scalable resource state for universal MBQC: a 2-dimensional cluster state. We also prove the universality and give the methodology for utilizing this state in MBQC. Our state is based on TDM approach that allows unlimited resource generation regardless of the coherence time of the system. As a demonstration of our method, we generate and verify a 2-dimensional cluster state capable of about 5,000 operation steps on 5 inputs.

研究动机与目标

• 展示首次实现可用于通用CV MBQC的可扩展二维簇态的实验实现。
• 展示普遍性并提供使用所生成态进行通用MBQC的方法论。
• 描述一个可扩展的时域多路复用生成方案，该方案对有限相干时间具有鲁棒性并且可扩展到大量输入。
• 通过空缺子来评估纠缠，并在挤压水平下确立容错前景。
• 讨论使用CV簇态实现容错的通用量子计算的实际途径。

提出的方法

• 使用四个挤压光源、分束器和两个光学延迟线，通过时域多路复用生成二维CV簇态。
• 在每圈中形成一个螺旋图，含有N个宏节点，将每个宏节点连接到k−N、k−1、k+1和k+N以实现二维结构。
• 利用空缺子来表征该态，对于每个时域模指数k有四种空缺子类型，当方差低于−4.5 dB shot-noise时可验证纠缠。
• 通过量子隐形传输实现普适MBQC，配备可编程的同态测量基以实现任意高斯操作，及通过非高斯测量或基于GKP的方案实现非高斯操作。
• 通过展示在5个输入上执行约5,000步操作的能力来验证普适性，使用24,960个时域模（k最高到6,240）和4×6,240个宏节点。
• 讨论在更高挤压水平和CV纠错方案下的可扩展性与容错前景。

实验结果

研究问题

• RQ1 时域多路复用方法是否能够生成适用于通用CV MBQC的可扩展二维簇态？
• RQ2 用所生成的二维CV簇态可以实现的计算普适性有多大，如何实现高斯和非高斯操作？
• RQ3 如何通过跨越大量时域模的空缺子来验证大规模二维簇态的纠缠结构？
• RQ4 在当前挤压和相干约束条件下，输入规模和操作步数的实际限制是什么？
• RQ5 使用该平台实现容错通用CV量子计算的前景与要求是什么？

主要发现

• 成功生成并验证了能够实现通用CV MBQC的大规模二维簇态。
• 测量了4种空缺子，在多达24,960个时域模（k最高到6,240）上方差低于−4.5 dB。
• 展示了N=5输入的二维簇态结构，在5个输入上具有约5,000步操作能力。
• 表明更高的挤压可以通过CV纠错方案实现容错。
• 提供了一种可扩展的生成方法，使用4个挤压源、5个分束器和2个延迟线，在相干约束内实现任意大规模的二维簇态。