[论文解读] Unconditional measurement-based quantum computation with optomechanical continuous variables

Oussama Houhou, Darren W. Moore+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于集成线性与二次光机械耦合的光机械系统，采用确定性、无条件的连续变量测量型量子计算方法。通过利用腔光机械平台中的驱动耗散动力学，作者展示了非高斯簇态（包括立方相态）的确定性制备，并表明可通过连续输出场监测实现任意高斯测量，从而在当前技术可行性下实现通用量子计算。

ABSTRACT

Universal quantum computation encoded over continuous variables can be achieved via Gaussian measurements acting on entangled non-Gaussian states. However, due to the weakness of available nonlinearities, generally these states can only be prepared conditionally, potentially with low probability. Here we show how universal quantum computation could be implemented unconditionally using an integrated platform able to sustain both linear and quadratic optomechanical-like interactions. Specifically, considering cavity opto- and electro-mechanical systems, we propose a realisation of a driven-dissipative dynamics that deterministically prepares the required non-Gaussian cluster states -- entangled squeezed states of multiple mechanical oscillators suitably interspersed with cubic-phase states. We next demonstrate how arbitrary Gaussian measurements on the cluster nodes can be performed by continuously monitoring the output cavity field. Finally, the feasibility requirements of this approach are analysed in detail, suggesting that its building blocks are within reach of current technology.

研究动机与目标

• 为克服连续变量量子计算中非高斯态制备的随机性这一主要障碍。
• 仅通过高斯操作和确定性态制备实现连续变量的通用量子计算。
• 证明具有二次光机械耦合的光机械系统可作为通用测量型量子计算的可扩展、集成化平台。
• 表明通过耗散工程和连续监测，可无条件实现非高斯簇态和高斯测量。
• 通过分析实际参数并展示在热噪声和有限压缩下仍保持高保真度，确立该方案的可行性。

提出的方法

• 利用具有时变多音经典驱动的驱动耗散光机械系统，以构建有效非线性动力学。
• 通过绝热消去腔模，推导出描述机械振子动力学的有效主方程。
• 设计一种耗散协议，将非高斯簇态作为稳态制备，包括纠缠压缩态和立方相态。
• 通过监测输出腔场实现对簇态节点的任意高斯测量。
• 应用切换协议以动态控制光机械耦合，引导系统达到目标非高斯资源态。
• 通过截断福克基矢的数值模拟验证该方案，并在热噪声和有限压缩条件下进行保真度分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在连续变量系统中，能否确定性地制备通用测量型量子计算所需的非高斯簇态？
• RQ2 具有二次光机械耦合的光机械系统能否在无需后选择的情况下无条件制备此类态？
• RQ3 对输出场的连续监测是否足以在此平台上实现任意高斯测量？
• RQ4 在实际热噪声和退相干效应下，该方法的可行性极限是什么？
• RQ5 在有限压缩和热噪声下，资源态和测量操作的保真度能否保持？

主要发现

• 所提出的驱动耗散光机械系统可将非高斯簇态（包括纠缠压缩态和立方相态）作为稳态确定性制备。
• 数值模拟表明，即使在热噪声下，簇态的最终保真度仍保持较高，且随温度升高而下降。
• 该方案在实现立方相门方面实现了高平均保真度，但保真度在更高温度和阻尼率下有所下降。
• 连续监测的使用可实现有效的高斯测量，且在动量可观测量的有限分辨率离散化下结果仍具鲁棒性。
• 通过绝热消去推导出的有效主方程证实了该协议在实际参数下的稳定性和可行性。
• 该方法避免了对量子存储器和后选择的需求，使其在当前光机械技术下更具实验可实现性。