Measurement-Based Quantum Computing on a Photonic Chip

Sintesi Tecnica: Calcolo Quantistico Basato su Misura su un Chip Fotonico

Problema e Contesto
I sistemi fotonici offrono vantaggi significativi per l'elaborazione delle informazioni quantistiche grazie alla bassa decoerenza, alla propagazione ad alta velocità e alla connettività fluida. Tuttavia, un collo di bottiglia primario nel calcolo quantistico fotonico è la mancanza di interazioni dirette fotone-fotone, il che rende difficili le operazioni deterministiche di gate a due qubit. Il calcolo quantistico basato su misura (MBQC) affronta questo problema spostando la sfida computazionale dalle operazioni di gate alla generazione di stati di risorsa altamente entanglementati (stati a grafo) ed all'esecuzione di misurazioni adattive. Sebbene l'MBQC sia stato dimostrato in sistemi ottici bulk, la scalabilità di questi esperimenti richiede la miniaturizzazione e l'integrazione per supportare architetture di circuiti complessi. La fotonica integrata fornisce una piattaforma scalabile per questo scopo, tuttavia la dimostrazione di un MBQC multi-qubit riconfigurabile su un singolo chip rimane un passo critico verso implementazioni su larga scala.

Metodologia
Gli autori hanno implementato l'MBQC su un circuito fotonico integrato (PIC) in silicio su isolante (SOI) capace di generare e manipolare stati di risorsa a quattro qubit entanglementati. L'apparato sperimentale utilizza due sorgenti di conversione parametrica spontanea verso il basso (SPDC) di tipo II basate su cristalli di titanil fosfato di potassio periodicamente in polati (ppKTP), pompate da un laser Ti:Sa a 775 nm, per generare singoli fotoni a 1550 nm.

Il nucleo dell'esperimento è un chip SOI riconfigurabile a 8 modi composto da:

• Preparazione dello Stato: Accoppiatori a reticolo per l'accoppiamento fibra-chip.
• Gate di Entanglement Riconfigurabili: Spostatori di fase termo-ottici e interferometri di Mach-Zehnder (MZI) che agiscono come beam splitter sintonizzabili.
• Analisi dello Stato: Un secondo set di accoppiatori a reticolo che instradano i fotoni verso rivelatori di singoli fotoni a nanofili superconduttori (SNSPD).

Il chip genera due specifici stati a grafo a quattro qubit:

1. Stato Cluster Lineare ($|Lin_4\rangle$): Creato tramite una sequenza di gate controlled-Z (CZ) ($CZ_{12}CZ_{23}CZ_{34}$).
2. Stato a Grafo Star ($|Star_4\rangle$): Creato tramite un qubit centrale entanglementato con altri tre ($CZ_{12}CZ_{13}CZ_{14}$).

Il calcolo quantistico viene eseguito misurando i qubit in basi specifiche ($B(\alpha)$) con logica di feed-forward adattata ai risultati delle misurazioni precedenti, implementando efficacemente gate e algoritmi quantistici senza interazioni dirette fotone-fotone.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio dimostra la generazione, la caratterizzazione e l'utilizzo di stati a grafo a quattro fotoni su un singolo chip integrato.

• Generazione e Caratterizzazione degli Stati a Grafo:

  • Il team ha generato $|Star_4\rangle$ e $|Lin_4\rangle$ con probabilità di successo di $1/2^3$.
  • Fidelità: Le fidelità misurate sono state $F_{Star} = (83.5 \pm 1.8)\%$ e $F_{Lin} = (75.6 \pm 1.1)\%$. Entrambi gli stati hanno superato la soglia del 50% richiesta per l'entanglement multipartito genuino.
  • Non-località: La non-località di entrambi gli stati è stata verificata attraverso la violazione di una disuguaglianza di Bell di tipo Mermin a due setting.

• Implementazione dei Gate:

  • Gate a Singolo Qubit: Un gate non-Clifford T è stato implementato con una fedeltà dello stato di uscita $F_T = (84.8 \pm 1.5)\%$.
  • Gate a Due Qubit: I gate Controlled-Z (CZ) e Controlled-NOT (CNOT) sono stati realizzati con fedeltà rispettivamente di $F_{CZ} = (76.9 \pm 1.9)\%$ e $F_{CNOT} = (90.3 \pm 0.8)\%$.

• Dimostrazione dell'Algoritmo:

  • Algoritmo di Ricerca di Grover: Implementato su uno spazio di ricerca a quattro elementi utilizzando uno stato a scatola a quattro qubit. La probabilità media di identificazione per tutti e quattro gli elementi è stata del $(80.8 \pm 0.7)\%$.
  • Algoritmo di Deutsch–Jozsa: Implementato per distinguere tra funzioni costanti e bilanciate. Il sistema ha classificato correttamente la funzione costante con una probabilità del $(95.0 \pm 0.8)\%$ e la funzione bilanciata con il $(94.6 \pm 0.8)\%$.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questi risultati stabiliscono la fattibilità di un MBQC a quattro fotoni riconfigurabile su una piattaforma fotonica integrata. Il lavoro fornisce una base per future implementazioni su larga scala dimostrando che la fotonica integrata può supportare la generazione di stati di risorsa complessi e l'esecuzione di set di gate universali e algoritmi quantistici.

L'alta fedeltà raggiunta è attribuita alle elevate efficienze di accoppiamento fibra-chip e agli spostatori di fase termo-ottici a trincea profonda che riducono efficacemente l'interferenza termica (crosstalk). Gli autori notano che le principali fonti di errore derivano dal rumore di ordine superiore, dalle perdite, dalla non perfetta indistinguibilità dei fotoni, dalle perdite dipendenti dal percorso e dalle derive degli spostatori di fase.

Guardando al futuro, il paper suggerisce che il design attuale della piattaforma SOI è compatibile con le emergenti sorgenti di singoli fotoni deterministiche a 1550 nm. Questa compatibilità potrebbe consentire la generazione di stati a grafo più grandi e operazioni di fusione heralded, che sono blocchi costruttivi per il calcolo quantistico basato su fusione (FBQC). Gli autori concludono che l'interfacciamento di molteplici materiali per combinare la propagazione a bassissima perdita con le capacità di commutazione rapida rappresenta una strada promettente verso l'MBQC fotonico su larga scala.