針對量子發(fā)射器定制基于融合的光量子計算方案

逍遙設(shè)計自動化

引言量子計算有望徹底改變信息處理技術(shù),但構(gòu)建大規(guī)模量子計算機(jī)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。融合量子計算(FBQC)已成為一種極具前景的方法,特別是在光量子技術(shù)領(lǐng)域。本文探討了如何將FBQC技術(shù)與量子發(fā)射器相結(jié)合,為實現(xiàn)容錯量子計算提供了新的思路[1]。

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1 m& z+ [! m" z& e2 Y1 D& x/ l8 wFBQC基礎(chǔ)
( }  t' Q, W+ I7 A" [/ A7 b4 FFBQC依賴于準(zhǔn)備小型糾纏資源態(tài),然后應(yīng)用融合操作來構(gòu)建更大的糾纏態(tài)。這些融合操作同時實現(xiàn)量子比特的糾纏和測量,從而創(chuàng)建測量基量子計算所需的簇態(tài)。
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圖1: FFCC晶格分解為融合網(wǎng)絡(luò)。圖像展示了如何將復(fù)雜的量子態(tài)分解為通過融合操作連接的簡單組件。

( r- S$ }2 A2 I& Q* X' YFBQC的主要優(yōu)勢是非常適合光子實現(xiàn)。光子具有較長的相干時間,可以使用線性光學(xué)進(jìn)行操控。然而,光子損失仍然是一個需要解決的主要挑戰(zhàn)。
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/ [9 H& d6 A  }. @1 ?3 ]7 b+ ^/ P$ s量子發(fā)射器作為資源態(tài)生成器
4 c: M" B7 V; v, Y( a5 N6 f6 v量子點(diǎn)或金剛石中的色心等量子發(fā)射器可以確定性地生成FBQC所需的資源態(tài)。這比概率性光子源具有顯著優(yōu)勢。
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圖2: 使用量子發(fā)射器生成光子資源態(tài)。圖像說明了單個量子發(fā)射器如何通過一系列操作產(chǎn)生糾纏光子。
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使用量子發(fā)射器生成資源態(tài)的協(xié)議包括:
9 k2 l' N; N) `5 h/ x! T, t* x' k; b. k, ?

將發(fā)射器準(zhǔn)備為疊加態(tài)

發(fā)射一系列與發(fā)射器自旋態(tài)糾纏的光子

在光子發(fā)射之間對發(fā)射器進(jìn)行操作
9 B& V: g9 Y1 Z6 Y; ]/ o
* l- y0 D5 [- |' @7 j% ]這個過程可以創(chuàng)建線性簇態(tài)或更復(fù)雜的編碼態(tài),為FBQC提供基本構(gòu)建塊。

為量子發(fā)射器定制FBQC
作者提出了一種專門為量子發(fā)射器設(shè)計的融合架構(gòu)。主要特征包括:

使用折疊Floquet色碼(FFCC)作為底層量子糾錯方案

將FFCC分解為線性簇態(tài)網(wǎng)絡(luò)

使用局部重復(fù)碼實現(xiàn)邏輯融合操作
9 h$ h7 M0 O- e' X6 x" _7 g1 P[/ol]
9 n. f, c2 O; S1 ~5 Y, G3 f4 F9 n
3 |. Q' v( B$ ^7 Z3 p
9 \" x- c8 J: v* D+ U  A圖3: 同步FFCC的融合網(wǎng)絡(luò)。圖像顯示了如何使用量子發(fā)射器陣列生成資源態(tài),然后將這些資源態(tài)融合以創(chuàng)建量子計算結(jié)構(gòu)。

" f1 b4 c: N2 q0 Q( `這種定制架構(gòu)具有幾個優(yōu)點(diǎn):

資源態(tài)可以由單個量子發(fā)射器生成

融合網(wǎng)絡(luò)在空間上保持局部性,簡化了光子路由

對量子發(fā)射器系統(tǒng)中常見的錯誤源具有高容錯能力
" ?' ?& F9 n7 H, U' ]; O8 A% b
$ R9 @( l% G+ h: K8 ~. D2 R% g錯誤容忍度和容錯閾值
& _" h! b2 ?5 V5 k4 [# k( F' ~任何量子計算架構(gòu)的一個關(guān)鍵方面是容錯能力。作者分析了他們的方案在各種錯誤模型下的性能:

光子損失: 該架構(gòu)可以容忍高達(dá)8%的光子損失,比之前的方案有顯著改進(jìn)。

光子可區(qū)分性: 可以容忍來自不同發(fā)射器的光子之間高達(dá)4%的可區(qū)分性。

自旋錯誤: 在資源態(tài)生成過程中的馬爾可夫自旋噪聲可以在一定閾值內(nèi)處理。
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6 W! k( ~" c% R- y" l; e1 ^& t3 a
) H1 r) `; A0 H( O4 l圖4: 損失和可區(qū)分性閾值。圖表顯示了架構(gòu)性能如何隨不同程度的光子損失和可區(qū)分性而變化。
7 Y4 n/ m: i6 I8 A% m
0 J8 N* H* {; @* E. Z: ?$ s使用碼級聯(lián)提高錯誤容忍度
8 o- C( }# r( G8 [) B5 V為進(jìn)一步提高錯誤容忍度,作者探討了碼級聯(lián)的使用。具體研究了:
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靜態(tài)重復(fù)碼(REP): 資源態(tài)中的每個量子比特都編碼在多個光子中。

重復(fù)直至成功(RUS)邏輯融合: 自適應(yīng)方案,多次嘗試融合直到成功或達(dá)到最大嘗試次數(shù)。



( Z, W# l; E* ?. j# Y& {. G圖5: 邏輯融合協(xié)議。圖像比較了實現(xiàn)邏輯融合操作的靜態(tài)重復(fù)碼和重復(fù)直至成功策略。

RUS融合特別有效,允許更高的損失容忍度和更有效的資源利用。所提出的FFCC分解的同步性使得RUS融合成為可能,這是該架構(gòu)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢。

挑戰(zhàn)和未來方向
6 ~0 e0 ]9 b3 G% M. R盡管提出的架構(gòu)顯示出潛力,但仍然存在幾個挑戰(zhàn):

提高光子收集效率并減少整體損失

提高來自不同發(fā)射器的光子的不可區(qū)分性

減輕量子發(fā)射器中的自旋退相干效應(yīng)
3 K: @' u' K( z# A. v( w' G6 b/ q  }[/ol]
未來的工作可以探索特定量子發(fā)射器實現(xiàn)(如量子點(diǎn)或金剛石中的色心)的更詳細(xì)噪聲模型。此外,研究多個量子發(fā)射器之間的潛在耦合可能會導(dǎo)致更穩(wěn)健的架構(gòu)。

# V+ I$ j4 C2 ~. c- D9 @結(jié)論
2 F  B: `0 l4 Q基于量子發(fā)射器的融合量子計算為實現(xiàn)容錯光量子技術(shù)計算提供了希望。通過利用量子發(fā)射器的確定性特性并精心設(shè)計融合網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)對常見錯誤源的高容錯能力。隨著量子發(fā)射器技術(shù)的不斷進(jìn)步,這種方法可能為大規(guī)模量子計算機(jī)提供一條可擴(kuò)展的路徑。

( F: t( i' z2 y& Y/ N+ K參考文獻(xiàn)
[1] M. L. Chan et al., "Tailoring fusion-based photonic quantum computing schemes to quantum emitters," arXiv:2410.06784v1 [quant-ph], Oct. 2024.
1 G; u; I! S/ O* y! |+ P# i7 J2 ~+ y  ]
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