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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(wèn)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。5 ]1 m6 R( W: s
0 I. r# w6 m0 g
近年來(lái),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(zhǎng)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。4 _1 }9 D8 P# m- S$ }6 {
: l- J2 k1 p$ B本文探討了使用模塊化架構(gòu)和容錯(cuò)光子互連來(lái)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。: v, `* S4 |5 Q& |. i3 }0 s
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! L, i( G. s, Y8 m6 S) y( Z: A
: \' j9 _' `% W容錯(cuò)通信要求
; d, v6 q. W% d. r& Y- s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。
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0 c( U- r: E! t& ]. u) E
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。2 A$ ?3 ` U |& y" D9 s
6 X+ m Q' C$ i2 ^
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。. b- I. L$ W/ R' N4 ~# O% `, W
: e }+ C0 U* T
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。
3 }) u- t1 e! h/ c+ A" X- i8 Y8 H& {
: ?, X* ?9 Z/ g+ @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。
9 E* q& y% ^4 T( y* j) c; L* Q8 A
) Z% S* w; p. i+ }+ d4 V$ Z9 @高速量子通信的模塊設(shè)計(jì)
5 U; ~( x- s! _1 W& N1 {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):0 U" Q- A" O- ^" B, h
1. 使用大數(shù)值孔徑透鏡的自由空間收集# p: d# ? F$ `8 d
2. 單一大體積光學(xué)腔1 L+ W0 g2 b& L4 J& h
3. 微腔陣列
( _# y+ ]& c6 t
5 v1 P1 } x8 ~0 V0 @& N, t
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9 i- l3 t8 e# A' a6 G+ G5 }圖2
! S7 }' j9 c1 ~$ A0 ]% T- w, O
/ Z! e+ s+ N/ H7 X. R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(guò)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。
# y% K$ G" h* S# \8 V1 p* [2 G) R$ l6 ]) u- L# m: M( c: ^( w
讓我們?cè)敿?xì)研究每種方法:
+ H* I: t+ [! a3 m' d1. 自由空間收集# u) Z0 f. t- B, W- v- v
這種設(shè)計(jì)使用大數(shù)值孔徑(NA)透鏡和探測(cè)器陣列來(lái)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(guò)多路復(fù)用可以實(shí)現(xiàn)非常高的總率。
y" b. K# h& B- F& n3 r8 j2 f" P. N" n4 H
主要參數(shù):
( w/ B& [6 J: ?0 ?6 D: ^ {收集效率(ηlens):0.12探測(cè)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
* w8 c" \0 p+ ]9 H) C+ }/ B0 a Z) y5 ~; w
) Z; X2 |, ~$ y! f3 m3 p8 x2. 單一大體積光學(xué)腔" K" R3 _: R) H/ }, h8 }/ }
這種方法使用單一光學(xué)腔來(lái)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。
7 }3 L. F: ~: _' Y, G
8 S0 [+ @! r9 w# X主要參數(shù):# ]. y6 S- l" ?$ g: j8 w
腔長(zhǎng):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" \/ S+ p3 t$ m: S
1 M, v4 b* b5 z% b9 c% U
" C: ^9 c; w+ E, n# x- \; b9 s3. 微腔陣列
) T9 N+ t8 Z2 N+ H |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。0 i3 H; D2 r- C# s+ M
6 S7 K( T( v/ E
主要參數(shù):4 Y0 R8 R& ]9 v+ i4 V( h r
腔數(shù)量:30腔長(zhǎng):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
3 m: X8 M; F) m) R0 p/ K% F$ l h; Y! L
* _) f: p M0 D: h, ~方法比較" H9 Z. g4 A2 h% T
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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。
3 a8 ?9 b1 H4 m
0 ~9 P$ J# h7 X- q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(lái)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。9 G7 l) E& D& T B1 \' J2 u1 \
1 S4 e8 G2 Z/ e, B
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。+ j! h' D& k% d" @9 ^$ a6 n- Q
% y2 d6 V5 A) _/ U) j- ?珀塞爾增強(qiáng)的光學(xué)抽運(yùn)
! o6 c& n) D" ^, Y+ u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(guò)99%。# N: W. ~, {" V6 ^. ]1 `
7 x1 a, [3 k$ _
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! U9 J$ D V+ t' f' H6 d9 e j圖4- C' q. I3 u- o. Y( h
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)。
! \" n. l6 E5 q$ ~% ~1 v2 M( ^, L s. k
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)。
7 Y: U; \* I% w. s
7 h7 D* r k% I2 j: `超級(jí)模塊和可擴(kuò)展性
# o# |: N! a: }4 e; t& _; Q; o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(guò)光學(xué)晶格傳送帶連接。 o* D6 a+ a! j/ U# Y8 A9 J
* G' |, V( ]4 j7 j4 a% Q6 Y超級(jí)模塊的主要特點(diǎn):
3 `& L$ F C* X# i* z0 U每個(gè)子模塊有獨(dú)立的控制和顯微鏡通過(guò)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
2 Z, @* [# e. k, \7 [ p
: u$ A/ e" N# I8 r* v+ i b. _" F這種方法的主要挑戰(zhàn)是在原子傳輸過(guò)程中保持高保真度。考慮到傳送帶速度限制在約1微米/微秒以防止過(guò)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。/ R9 v6 i9 b& {
2 k3 w2 k L' D1 S結(jié)論
, W0 s# H* j% ]* b: ^作者提出了使用模塊化架構(gòu)和光子互連來(lái)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(guò)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)。
; P0 P9 P& v0 A6 Y- I3 D
2 o3 D) W: W. S8 w% t0 z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。( W Z: S. K3 I4 K
7 w2 b% h( j. _8 N4 d3 a
通過(guò)以下技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn):! X5 G. H' w2 C, ^8 X" }. w }6 E3 l
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)1 o/ J! g+ K9 B# l
k* Z2 q) L! b通過(guò)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。. o9 s8 B: h# n& g. C
! [: b, T+ i" s2 L5 ^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(lái)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(shì)。高保真度局部操作、長(zhǎng)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(lái)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。
" [, v; T, a# j8 e' R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 v3 f8 h% j/ a7 k
# ]: S# F; B* N8 y
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- END -
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# B3 a3 B5 z# F) @3 A: n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(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。) v& C6 B: |4 I8 t1 f8 A: b( m
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* ]" }2 O( V& ] o歡迎轉(zhuǎn)載. b( y2 B& X, \
3 T1 D; a% y/ Y) G轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!4 [ O& h# ^ _. H
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& ?9 ~- P0 I: q關(guān)于我們:
, ?7 p# \& C- K# Z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(guó)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)。8 I. f! _( I) }8 g- S5 w7 l
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