Высокий

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4454 (2022 г.) Цитировать эту статью

4561 Доступов

5 цитат

7 Альтметрика

Подробности о метриках

По сравнению с другими типами кубитов фотон уникален благодаря своим беспрецедентным преимуществам в обмене квантовой информацией на большие расстояния. Таким образом, фотон является естественным кандидатом на создание крупномасштабного модульного оптического квантового компьютера, работающего при комнатной температуре. Однако двухфотонные квантовые логические элементы низкой точности и их вероятностный характер приводят к большим затратам ресурсов на отказоустойчивые квантовые вычисления. Хотя вероятностную проблему в принципе можно решить с помощью мультиплексирования и коррекции ошибок, точность линейно-оптического квантового логического элемента ограничена несовершенством одиночных фотонов. Здесь мы сообщаем о демонстрации линейно-оптического квантового логического вентиля с точностью таблицы истинности 99,84(3)% и точностью запутывающего вентиля 99,69(4)% после поствыборки при обнаружении фотонов. Достигнутая высокая точность затвора стала возможной благодаря нашему почти оптимальному однофотонному источнику Ридберга. Наша работа открывает путь к масштабируемым фотонно-квантовым приложениям, основанным на почти оптимальных однофотонных кубитах и ​​фотонно-фотонных вентилях.

Операция запутанности — один из фундаментальных строительных блоков универсальных квантовых вычислений1,2. Вероятностный, заявленный двухфотонный квантовый логический элемент достаточен для достижения масштабируемых линейно-оптических квантовых вычислений с использованием схемы Книла-Лафламма-Милберна (KLM)3, хотя и со значительными затратами ресурсов. Модель состояния кластера4,5,6, которая основана на локальных измерениях и учитывает состояние большого запутанного кластера, может значительно снизить затраты ресурсов7,8,9. Учитывая, что реализация детерминированной операции двухфотонного запутывания все еще является сложной задачей в линейной оптике, состояние большого запутанного кластера может быть создано путем слияния набора небольших кластеров7, например, трехфотонных кластеров, баллистическим способом8,10,11,12 . В потреблении ресурсов для вычисления состояния кластера затем преобладает подготовка этих небольших кластеров13, что зависит от эффективности и качества однофотонных источников, а также способности генерировать запутанность с помощью квантового логического вентиля, т.е. запутанные ворота верности.

После первоначального предложения KLM3 в 2002 году был экспериментально продемонстрирован деструктивный оптический вентиль с управляемым НЕ (CNOT) (без операции запутывания вентиля) с точностью таблицы истинности 83%14. Цян и др. использовал другую линейно-оптическую схему15 с четырьмя парами запутанных фотонов в качестве входных данных и получил вентиль с точностью таблицы истинности 98,85% и внутренней вероятностью успеха 1/64. Первая операция перепутывания с использованием линейно-оптического вентиля была реализована в 2003 году с внутренней вероятностью успеха 1/9 и точностью перепутывания вентиля 87%16. Ошибки, связанные с оптикой, такие как несоответствие мод фотонов и несовершенство поляризации, с годами уменьшаются, а точность затвора перепутывания постепенно улучшается до ~94%17,18,19. Теперь, когда многие технические источники ошибок устранены, основным препятствием для дальнейшего подавления неверности затвора запутанности является качество однофотонных источников20. Например, для создания линейно-оптического квантового логического элемента с неточностью ниже 1% минимальные требования к однофотонному источнику составляют g(2)(0) <7 × 10−3 и неотличимость выше 99%. На сегодняшний день эти высокие требования не могут быть одновременно достигнуты с помощью современных однофотонных источников.

В последнее время значительный прогресс был достигнут в однофотонных источниках на основе холодных ридберговских атомов21,22,23,24. Сильные взаимодействия между ридберговскими атомами приводят к блокаде возбуждения25 и, следовательно, к эффективной подготовке одиночного атомного возбуждения, которое по требованию может быть преобразовано в высококачественный одиночный фотон26 посредством передачи квантового состояния материи-света.