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針對量子發(fā)射器定制基于融合的光量子計算方案

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發(fā)表于 昨天 08:02 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
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]。# u0 k' Z: s2 Q5 T" B) t6 |6 q4 G$ {

) ]+ ^. q& C+ v# }% _" [: z
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)。
$ \3 P! m) x9 |- a/ ]) B 5 n7 }. i9 B7 X8 E7 Q3 g7 J
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。) E3 ^: G1 v7 {* o4 H4 b/ a

( 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)。
4 e( _( Q* I0 N0 \  K' c( \
/ [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。
$ x  t  p1 b; R1 y& z5 k
6 ?1 f8 h! Z( g& R$ e/ ? + W. m' q' A/ @$ R  u
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。
, t' |6 C9 \1 g% |, ?4 d2 W) z6 d2 v9 \, R
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。) }3 I3 j, A- J4 @' h6 i' R
    * ^( m5 N( j$ f! f/ P# l
    為量子發(fā)射器定制FBQC9 j7 T" q: `0 }, o
    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)。- a  a$ v# @. E% s4 U

    " f1 b4 c: N2 q0 Q( `這種定制架構(gòu)具有幾個優(yōu)點(diǎn):6 v: f. I+ q9 F  f- N" q
  • 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。. J- ]1 h- Y# t, V3 h
    [/ol]
    ; F9 Q+ L, r3 t6 P" j5 g
    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:
    $ o/ g+ x! Y( _  C$ T4 J' T4 f
  • 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)。7 {& z0 A2 I: m
    $ O8 H8 k% y% m; e: ]
    9 e+ j) p3 R, ^" l* B

    ( 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。& w  w" f* `( ~% q: Q& a( H! ^2 Y
    5 H/ q9 d5 l( E; O* I5 y# h; Q
    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。5 B6 G2 \/ m* i7 q, B5 z1 N1 P5 p
    1 s/ j" D' F! H* x  n1 X
    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]" l" q4 j6 H5 Y% I' `
    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)。% x& u5 |5 K! H1 G. v

    # 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。5 [& O1 G. S+ w2 V

    ( F: t( i' z2 y& Y/ N+ K參考文獻(xiàn)9 i9 I3 j" T# e9 o
    [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  ]
    8 l: @- A; Z) I; e  Z& Q$ `0 b5 JEND% H9 @: H7 v* j) P2 P6 v$ g
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    : i8 p/ {% y/ j3 y- H8 b軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費(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。7 R' a9 Y0 q! q: u6 Z; H, z  A
    點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請/ v. [3 s: R' o" N

    ( Z% [* a7 H; H; f2 k歡迎轉(zhuǎn)載9 a$ G- v" U; N5 y

    ( e4 n+ m" j  H. V3 d4 f% }轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
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    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)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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)。7 ?( }& R, }8 {0 S

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