針對(duì)中性原子陣列的容錯(cuò)光互連

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言量子計(jì)算有望解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的復(fù)雜問題。然而，由于量子系統(tǒng)固有的噪聲和錯(cuò)誤，構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)仍然面臨重大挑戰(zhàn)。量子糾錯(cuò)（QEC）對(duì)于擴(kuò)展量子設(shè)備很重要，但需要以高保真度連接和控制大量物理量子比特。
7 X7 b+ A; h5 F1 J
% P  Z6 V: g  \近年來，中性原子陣列已成為量子計(jì)算的領(lǐng)先平臺(tái)。這些系統(tǒng)提供了對(duì)數(shù)百個(gè)量子比特的可編程控制、長相干時(shí)間和高保真度的里德伯門。最近的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)展示了連續(xù)操作、控制多達(dá)48個(gè)邏輯量子比特，以及隨著編碼距離增加而降低錯(cuò)誤率。
8 ?  S/ C7 V2 l7 s5 T5 y
9 `  F, t6 i  d9 G本文探討了使用模塊化架構(gòu)和容錯(cuò)光子互連來擴(kuò)展中性原子量子計(jì)算機(jī)的方法。將討論容錯(cuò)通信的噪聲要求，提出高速量子鏈路的設(shè)計(jì)，并分析通信速度和量子比特開銷之間的權(quán)衡。



容錯(cuò)通信要求
模塊化量子架構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在模塊間的量子通信中實(shí)現(xiàn)足夠低的噪聲水平。之前的工作目標(biāo)是將網(wǎng)絡(luò)噪聲水平降低到1%以下，但最近的理論結(jié)果表明，表面碼可以容忍沿連接界面的更高噪聲水平。


0 v2 I+ A: \% ]$ A/ ^* m圖1：展示了不同錯(cuò)誤模型的容錯(cuò)閾值。(a)顯示了邏輯失敗率如何隨里德伯門錯(cuò)誤率變化，對(duì)不同的編碼距離進(jìn)行了比較。(b)在里德伯門錯(cuò)誤和貝爾對(duì)錯(cuò)誤的空間中繪制了閾值曲線。
3 }1 Q& E2 r- _: f; t  }8 y# i$ Y5 O
圖1展示了不同錯(cuò)誤模型的容錯(cuò)閾值。在圖1a中，可以看到邏輯失敗率如何隨里德伯門錯(cuò)誤率變化，對(duì)不同的編碼距離進(jìn)行了比較。實(shí)線顯示了體積和邊界錯(cuò)誤的綜合效果，而虛線和點(diǎn)線分別顯示了僅邊界和僅體積錯(cuò)誤的情況。

; ^7 I9 t+ D6 k0 I2 U圖1b在里德伯門錯(cuò)誤和貝爾對(duì)錯(cuò)誤的空間中繪制了閾值曲線。曲線下方和左側(cè)的點(diǎn)低于容錯(cuò)閾值。值得注意的是，分析表明，局部里德伯門錯(cuò)誤低于1%和非局部貝爾對(duì)錯(cuò)誤低于10%就足以進(jìn)行容錯(cuò)操作。

這種對(duì)通信錯(cuò)誤的更高容忍度使得現(xiàn)有原子陣列技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤糾正模塊的容錯(cuò)連接。剩下的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)足夠快速和高效的光子鏈路。

高速量子通信的模塊設(shè)計(jì)
1 S* y2 m% N: m4 i& ?3 [9 S為了達(dá)到必要的通信速度，探討了三種旨在高速生成貝爾對(duì)的模塊設(shè)計(jì)：
1. 使用大數(shù)值孔徑透鏡的自由空間收集
# {& L! m) F' i& n' J2. 單一大體積光學(xué)腔
: J/ w9 D* Y$ @3. 微腔陣列
% S, x8 i; E8 C8 O
8 C9 E  ^. h, \8 ]/ R2 `) @
; d0 Z/ J; o! ]! o# s- S圖2
1 T6 N+ x/ r) H0 Q
圖2展示了兩個(gè)為容錯(cuò)通信設(shè)計(jì)的模塊示意圖。每個(gè)模塊包含一個(gè)使用原子陣列實(shí)現(xiàn)的表面碼片段。模塊通過一種光子互連選項(xiàng)生成的貝爾對(duì)使用遠(yuǎn)程量子門進(jìn)行連接。

讓我們?cè)敿?xì)研究每種方法：
1. 自由空間收集
這種設(shè)計(jì)使用大數(shù)值孔徑（NA）透鏡和探測器陣列來遠(yuǎn)程糾纏原子。雖然每個(gè)原子的糾纏生成率相對(duì)較低（約200 Hz），但通過多路復(fù)用可以實(shí)現(xiàn)非常高的總率。

主要參數(shù)：

收集效率（ηlens）：0.12

探測效率（ηdet）：0.7

原子-原子糾纏概率（Paa）：0.0035

貝爾對(duì)生成時(shí)間：4.6毫秒/原子
3 Z$ s, `3 L. h' Q0 c! }0 q, k
' Y8 l1 e* s0 o# m
2. 單一大體積光學(xué)腔
這種方法使用單一光學(xué)腔來增強(qiáng)從原子收集的效率。腔設(shè)計(jì)基于Young等人提出的"中等近共焦"腔。
; p: p# b% p. m8 u
& l- S- u& R, O  j$ V8 C! f3 M主要參數(shù)：
% j1 l, ?: ~& \5 C. R& H

腔長：4毫米

腔腰：5微米

收集效率（ηcav）：0.66

原子-原子糾纏概率（Paa）：0.1

最大貝爾對(duì)生成率：約1 MHz
( C! H0 g) \! y* X2 A3 e7 h

3. 微腔陣列
這種設(shè)計(jì)結(jié)合了自由空間方法的并行性和光學(xué)腔的速度，利用了光學(xué)微腔陣列。
8 {0 m; j) c- I2 L2 A
主要參數(shù)：
7 ^; I0 b" v+ b3 X+ _) o+ [7 ]  W

腔數(shù)量：30

腔長：90微米

腔腰：2.5微米

收集效率（ηcav）：0.98

原子-原子糾纏概率（Paa）：0.24

最大貝爾對(duì)生成率：約50 MHz
4 n6 D8 H: T4 k% k

2 S; y; [9 |3 Z3 {( w/ W8 {; U方法比較

圖3：不同互連設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程貝爾對(duì)生成率與通信量子比特?cái)?shù)量的關(guān)系。

2 _: L$ r0 K. J# ~6 D1 H. m: o圖3比較了每種方法可達(dá)到的貝爾對(duì)生成率，作為通信量子比特?cái)?shù)量的函數(shù)。自由空間方法（綠色點(diǎn)劃線）由于較低的收集效率，需要最多的量子比特來達(dá)到給定的率。單腔設(shè)計(jì)（橙色虛線）以較少的量子比特達(dá)到更高的率，但由于尋址光束切換時(shí)間的限制，在約160個(gè)量子比特處趨于平穩(wěn)。微腔陣列（紫色實(shí)線）達(dá)到最高的率，僅受腔數(shù)量和尋址速度的限制。
/ k) L( T% W6 Y: _" w, J
, G: H0 h8 x% ], H* }' _虛線黑線表示為距離L=20的邏輯量子比特每2毫秒執(zhí)行一次糾錯(cuò)循環(huán)所需的率，滿足T/τdec = 10-3的要求，其中T是循環(huán)時(shí)間，τdec是退相干時(shí)間。
; p4 v# R1 T* L& u
珀塞爾增強(qiáng)的光學(xué)抽運(yùn)
為進(jìn)一步提高貝爾對(duì)生成速度，我們提出了一種腔增強(qiáng)的光學(xué)抽運(yùn)方案，用于快速態(tài)制備。這種技術(shù)可以將光學(xué)抽運(yùn)時(shí)間從6微秒減少到100納秒，保真度超過99%。
  D  P) e" f% r" t9 j- g6 K, A

7 y, h# W  Q/ X# b" h圖4
圖4展示了銣-87中快速態(tài)制備的腔增強(qiáng)光學(xué)抽運(yùn)方案。原子被放置在一個(gè)光學(xué)腔中，該腔在D1和D2躍遷上都有共振。從側(cè)面施加這些躍遷的驅(qū)動(dòng)，以執(zhí)行快速光學(xué)抽運(yùn)到所需狀態(tài)。

這種抽運(yùn)方案允許原子在腔模式中進(jìn)行多次糾纏嘗試，有效地將糾纏生成率提高了腔合作度的倍數(shù)。
1 P+ g6 O% B) a: P
& M: U8 Z1 V* O超級(jí)模塊和可擴(kuò)展性
$ N1 l' O6 P0 b( [為了減少大規(guī)模量子計(jì)算所需的模塊總數(shù)，作者提出了超級(jí)模塊的概念。這些超級(jí)模塊由單個(gè)真空室中的多個(gè)原子陣列組成，通過光學(xué)晶格傳送帶連接。
: b2 R" E* h9 M# I% |+ d& G; _; l
2 g) k% H5 v4 A0 y. H& X超級(jí)模塊的主要特點(diǎn)：

每個(gè)子模塊有獨(dú)立的控制和顯微鏡

通過原子傳輸實(shí)現(xiàn)子模塊間快速、高保真度的通信

使用并行化的局部里德伯門確定性地創(chuàng)建貝爾對(duì)

使用光學(xué)晶格傳送帶將每對(duì)中的一個(gè)量子比特傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的陣列
  A/ {  z) t6 w! Z2 M$ T2 H  G/ M
+ b0 U+ {! ^1 a+ y0 O. _這種方法的主要挑戰(zhàn)是在原子傳輸過程中保持高保真度�？紤]到傳送帶速度限制在約1微米/微秒以防止過度加熱，相距10厘米的陣列間的傳輸時(shí)間約為100毫秒。這導(dǎo)致的退相干低于之前建立的10%貝爾對(duì)閾值。
3 c. ]4 J1 r2 X5 d
結(jié)論
作者提出了使用模塊化架構(gòu)和光子互連來擴(kuò)展錯(cuò)誤糾正中性原子量子處理器的容錯(cuò)路徑。通過利用表面碼對(duì)邊界噪聲的魯棒性，我們表明局部里德伯門錯(cuò)誤低于1%和非局部貝爾對(duì)錯(cuò)誤低于10%時(shí)，容錯(cuò)通信是可能的。這些要求在當(dāng)前和近期的中性原子技術(shù)范圍內(nèi)。
. t2 P: G3 B& |3 O% l2 A. o: n
剩下的主要挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)足夠快的貝爾對(duì)生成率。我們提出并分析了幾種有前途的方法，使用自由空間收集、大體積光學(xué)腔和微腔陣列。每種設(shè)計(jì)在通信速度和量子比特開銷之間提供了不同的權(quán)衡。
5 n) v$ W3 g1 x/ D3 }% z
. a* L* v2 T& r通過以下技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)：
/ g8 i5 {8 f3 _% P" V

將物理貝爾對(duì)注入邏輯量子比特

運(yùn)行更復(fù)雜的提純方案

在模塊間使用橫向門

利用算法級(jí)容錯(cuò)
; M1 R" c1 [8 Q
2 z- Y9 Y2 Y6 S' t- k: q. a通過降低通信保真度的門檻，并概述了實(shí)現(xiàn)足夠快的光子互連的多種途徑，這項(xiàng)分析激勵(lì)了在近期實(shí)現(xiàn)和探索滿足可擴(kuò)展容錯(cuò)要求的網(wǎng)絡(luò)化邏輯量子處理器。
; j; P, O- ]$ M! n3 `7 ^* q
隨著中性原子量子計(jì)算研究的不斷進(jìn)步，可以期待看到越來越強(qiáng)大和可擴(kuò)展的量子設(shè)備，這些設(shè)備利用了這個(gè)平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢。高保真度局部操作、長相干時(shí)間和高效光子接口的結(jié)合，使中性原子陣列成為在未來幾年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的有希望的候選者。
% [4 h. {9 \$ @/ b. A# S. ~6 K' A參考文獻(xiàn)[1]J. Sinclair et al., "Fault-tolerant optical interconnects for neutral-atom arrays," arXiv:2408.08955v1 [quant-ph], Aug. 2024.
1 h% ?8 k" \: l4 {
7 C' f9 j  q6 F& a8 _$ P! @
- END -

軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

歡迎轉(zhuǎn)載
* |; D9 R2 Q% `/ K, y4 v, u( ?
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

' x. n% c/ j  h! d0 g" I: X' G* y
/ A( g+ ^% |9 L+ @& w: S& T: j


關(guān)注我們

, W" E: g& V9 P

2 g. Q( J' P$ N0 c

: G  G% v5 N, i) e- ]9 o" J3 ~ ( U8 I: v% S4 r' J4 u

                     

/ N5 l1 k/ ^0 e. n/ W. k5 Q- H
7 X# U7 z$ B! n: {+ D$ ~
關(guān)于我們：
* l( q- M& t3 @$ ?# U9 T深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

3 A7 x/ r" Y+ H) x# A/ u$ }http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）