높은

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4454(2022) 이 기사 인용

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다른 유형의 큐비트와 비교할 때 광자는 장거리 양자 정보 교환에서 비교할 수 없는 이점으로 인해 독보적입니다. 따라서 광자는 실온에서 작동하는 대규모 모듈식 광학 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 자연스러운 후보입니다. 그러나 낮은 충실도의 2광자 양자 논리 게이트와 그 확률적 특성으로 인해 내결함성 양자 계산에 큰 리소스 오버헤드가 발생합니다. 확률론적 문제는 원칙적으로 다중화 및 오류 정정을 사용하여 해결될 수 있지만 선형 광학 양자 논리 게이트의 충실도는 단일 광자의 불완전성으로 인해 제한됩니다. 여기에서는 광자 감지 시 진리표 충실도가 99.84(3)%이고 얽힘 게이트 충실도가 99.69(4)%인 선형 광학 양자 논리 게이트의 시연을 보고합니다. 달성된 높은 게이트 충실도는 거의 최적인 Rydberg 단일 광자 소스를 통해 가능해졌습니다. 우리의 연구는 거의 최적에 가까운 단일 광자 큐비트와 광자-광자 게이트를 기반으로 확장 가능한 광자 양자 애플리케이션을 위한 길을 열었습니다.

얽힘 작업은 범용 양자 계산1,2의 기본 구성 요소 중 하나입니다. 상당한 리소스 오버헤드가 있음에도 불구하고 확률론적이고 예고된 2광자 양자 논리 게이트는 KLM(Knill-Laflamme-Milburn) 체계3를 사용하여 확장 가능한 선형-광학 양자 컴퓨팅을 달성하는 데 충분합니다. 로컬 측정을 기반으로 하고 대규모 얽힌 클러스터 상태를 피드포워드하는 클러스터 상태 모델4,5,6은 리소스 오버헤드7,8,9를 크게 줄일 수 있습니다. 결정론적 2광자 얽힘 작업을 구현하는 것이 선형 광학에서 여전히 어렵다는 점을 감안할 때 작은 클러스터 집합(예: 3광자 클러스터)을 탄도 방식으로 융합하여 큰 얽힌 클러스터 상태를 생성할 수 있습니다8,10,11,12 . 클러스터 상태 계산의 리소스 소비는 단일 광자 소스의 효율성과 품질, 양자 논리 게이트(즉, 광자-광자)와의 얽힘을 생성하는 능력에 따라 달라지는 작은 클러스터의 준비에 의해 지배됩니다. 얽힌 게이트 충실도.

KLM3의 초기 제안 이후, 파괴적인 광학 제어 NOT(CNOT) 게이트(얽힘 게이트 작동 없음)가 2002년에 실험적으로 시연되었으며, 진리표 충실도는 83%14였습니다. Qianget al. 4쌍의 얽힌 광자를 입력으로 사용하여 다른 선형 광학 방식15을 사용하고 98.85%의 진리표 충실도와 1/64의 고유 성공 확률로 게이트를 달성했습니다. 선형 광학 게이트를 사용한 최초의 얽힘 작업은 2003년에 실현되었으며, 본질적인 성공 확률은 1/9이고 얽힘 게이트 충실도는 87%16입니다. 광자 모드 불일치 및 편광 불완전성과 같은 광학 관련 오류는 수년에 걸쳐 감소하고 얽힘 게이트 충실도는 ~94%17,18,19로 점차 향상되었습니다. 이제 많은 기술적 오류 원인이 해결되었으므로 얽힘 게이트 부정성을 더욱 억제하기 위한 주요 장애물은 단일 광자 소스의 품질에 있습니다. 예를 들어, 1% 미만의 부정확도를 갖는 선형 광학 양자 논리 게이트를 달성하려면 단일 광자 소스에 대한 최소 요구 사항은 g(2)(0) < 7 × 10−3이고 구별 불가능성은 99%보다 높습니다. 현재까지 이러한 까다로운 요구 사항은 최첨단 단일 광자 소스에 의해 동시에 달성되지 않았습니다.

최근 차가운 Rydberg 원자를 기반으로 한 단일 광자 소스에서 상당한 진전이 이루어졌습니다. Rydberg 원자 사이의 강한 상호 작용은 여기 차단으로 이어지며 따라서 단일 원자 여기의 효율적인 준비가 가능하며 이는 물질-광 양자 상태 전달을 통해 필요에 따라 고품질 단일 광자로 변환될 수 있습니다.