Extensible universal photonic quantum computing with nonlinearity

기술 요약: 비선형성을 갖춘 확장 가능한 범용 광학 양자 컴퓨팅

문제 정의
범용 양자 컴퓨팅에는 선형 회로와 강력한 비선형 연산을 모두 실행할 수 있는 아키텍처가 필요합니다. 광학 시스템은 확장성, 프로그래밍 가능성 및 선형 광학 연산 측면에서 중요한 이정표를 달성해 왔으나, 강력한 비선형성을 통합하는 데 있어 역사적으로 확장 가능한 방법을 결여해 왔습니다. 단일 광자 수준의 비선형성은 구현하기 본질적으로 어려우며, 대규모 선형 광학 회로의 모든 모드에 걸쳐 구현하는 것은 더욱 어렵습니다. 결과적으로, 기존의 대부분의 광학 실험은 선형 연산에 국한되어 비범용적이며, 비가우시안(non-Gaussian) 자원을 필요로 하는 보존 에러 정정(bosonic error correction)이나 복잡한 다체 양자 시뮬레이션과 같은 필수적인 과업을 수행할 수 없습니다.

방법론
저자들은 통합의 병목 현상을 극복하기 위해 설계된 확장 가능한 전광(all-optical) 양자 광학 플랫폼인 Clavina를 제시합니다. 이 아키텍처는 클래식 집적 회로 설계에서 영감을 얻어, 다양한 기능 단위가 중앙 제어 장치에 플러그 앤 플레이 방식으로 연결될 수 있는 모듈형 "직소 퍼즐(jigsaw-like)" 접근 방식을 활용합니다.

방법론의 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 중앙 제어 장치: 위상 잠금(phase locking) 및 동기화를 관리하며, 시간 빈(time-bin) 인코딩된 정보를 위한 "캐시" 역할을 하는 장시간 광섬유 지연 라인을 제공합니다.
• 확장 가능한 선형 네트워크: 대규모의 완전 프로그래밍 가능한 선형 변환을 지원하는 멀티 코어 시간 빈 간섭계(선형 연산 유닛, LOU)입니다.
• 모듈형 비선형성: 시스템은 두 가지 뚜렷한 유형의 비선형 자원을 통합합니다:
  1. 입력 측 비선형성: 인라인 스퀴저(inline squeezer)와 결합된 헤럴디드 광자 수 상태 생성기(포크 상태 생성).
  2. 게이트 측 비선형성: 간섭계적으로 결합된 광자 첨가 및 제거 시퀀스를 통해 구현된 주소 지정 가능한 커(Kerr) 게이트 모듈.
• 시간 빈 인코딩: 정보는 단일 공간 모드 내에 인코딩되지만 순차적인 시간 빈을 통해 재사용됩니다. 이를 통해 동일한 물리적 모듈을 회로 전체에 적용할 수 있어 하드웨어 비용을 줄이고 확장성을 높일 수 있습니다 있습니다.

주요 기여 및 결과
본 논문은 이러한 구성 요소들을 성공적으로 통합하여 범용 게이트 세트를 달est하고 이전에 접근 불가능했던 과업들을 수행했음을 입증합니다:

1. 확장성 및 안정성: 플랫폼은 충실도(fidelity) 추적을 통해 약 2시간 동안 높은 안정성을 유지함을 입증했습니다. 100-모드 가우시안 보존 샘플링(Gaussian boson sampling) 실험은 참여 계수(participation coefficients) 추출을 확인했으며, 시스템은 8,000개의 시간 모드에 걸쳐 지속적인 다중 모드 얽힘을 보여주었습니다.
2. 비가우시안 상태 엔지니어링:
   • 시스템은 광자 수 압축 상태(photon-number-squeezed states)를 거의 결정론적으로 생성합니다(유효 출력률 $\approx$ 0.85 MHz).
   • 인라인 스퀴저와 LOU 내의 2회 브리딩(breeding) 프로세스를 사용하여, 사후 선택(post-selection) 없이 작은 슈뢰딩거 고양이 상태를 준비하고 이를 더 큰 진폭의 고양이 상태로 확장했습니다.
   • "컴퍼스 상태(compass state)"(4성분 코히런트 상태 중첩) 또한 생성되었습니다.
3. 준결정론적 GKP 상태 생성: LOU에서 고양이 상태를 간섭시키고 호모다인 검출 결과에 기반한 실시간 피드포워드를 활용하여, 연구팀은 광학 Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP) 상태의 준결정론적 생성을 달성했습니다. 이 상태들은 보존 에러 정정을 위한 핵심 자원입니다. 생성된 상태는 Wigner 함수와 스테빌라이저 진폭($\langle \hat{S}_x \rangle \approx 0.106$, $\langle \hat{S}_{|1_L\rangle} \rangle \approx 0.206$)에서 격자 구조 패턴을 나타내며, 이는 상당한 격자 폭 위상 결맞음(lattice-wide phase coherence)을 의미합니다.
4. 다체 양자 시뮬레이션: 프로그래밍 가능한 선형 네트워크를 튜너블 커 게이트에 연결함으로써 보즈-허바드(Bose-Hubbard) 모델을 시뮬레이션했습니다. 이를 통해 보존 격자 파라미터를 인코딩하고 하드코어 보존 한계(즉, 한 사이트에 하나 이상의 보존이 있는 경우)를 넘어서는 양자 역학을 관찰할 수 있었습니다. 시스템은 상호작용-터널링 비율($U/J$)과 진화 시간이 변화함에 따라 서로 다른 초기 상태($|200\rangle$ 및 $|110\rangle$)에 대한 점유 확률을 성공적으로 추적하였으며, 이는 이상적인 수치 시뮬레이션과 일치했습니다.

의의 및 주장
본 논문은 Clavina가 선형 회로와 비선형 자원의 통합이라는 오랜 병목 현상을 해결함으로써 범용 광학 양자 컴퓨팅을 향한 실행 가능한 경로를 구축했다고 주장합니다.

• 범용성: 가우시안 자원(선형 광학, 스퀴징)과 비가우시안 자원(포크 상태, 커 게이트)을 결합함으로써, 이 플랫폼은 연속 변수 설정에서의 범용 게이트 요구 사항을 충족합니다.
• 에러 정정: GKP 상태의 준결정론적 생성은 보존 에러 정정을 위한 주요 자원인 GKP 상태를 생성한다는 점에서 결함 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅을 향한 중요한 단계입니다.
• 시뮬레이션 능력: 튜너블 상호작용과 다중 점유 사이트를 가진 보즈-허바드 모델을 시뮬레이션할 수 있는 능력은 광학 하드웨어가 더 이상 선형 연산에 국한되지 않음을 보여줍니다. 이는 온사이트 상호작용이 종종 튜닝 불가능하거나 하드코어 한계로 제한되는 초전도 플랫폼과 비교되는 뚜렷한 장점입니다.
• 확장성: 모듈형 아키텍처를 통해 빛-물질 인터페이스를 통한 결정론적 광자 첨가/제거 또는 광결정 미세공동에서의 직접적인 커 유사 상호작용과 같은 미래의 업그레이드를 시스템의 전면적인 재설계 없이도 가능하게 합니다.

저자들은 광 손실 및 노이즈와 관련된 과제가 남아 있지만, Clavina 아키텍처가 확장 가능하고 결함 허용이 가능한 범용 광학 양자 컴퓨터를 위한 청사진을 제공한다고 결론짓습니다.