基于测量的连续变量集群状态中猫和网格状态的生成和保存

源节点: 1601733

米勒伊顿1,2, 卡洛斯·冈萨雷斯-阿尔西涅加斯1, 拉斐尔·N·亚历山大3, 尼古拉斯·C·梅尼库奇3和奥利维尔·菲斯特1

1弗吉尼亚大学物理系,夏洛茨维尔,弗吉尼亚州 22904,美国
2QC82,大学公园,MD 20740,美国
3墨尔本皇家墨尔本理工大学理学院量子计算与通信技术中心,澳大利亚维多利亚州3000

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抽象

我们提出了一种算法,可以可靠地从高斯 CV 簇状态生成对量子纠错和通用连续变量 (CV) 量子计算至关重要的各种量子状态,例如薛定谔猫状态和 Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 网格状态。 我们的算法基于光子计数辅助节点传送方法 (PhANTM),该方法对集群状态使用标准高斯信息处理,仅添加局部光子数解析测量。 我们展示了 PhANTM 可以应用多项式门并将猫状态嵌入到集群中。 这种方法稳定了猫​​状态对高斯噪声的影响,并使集群内的非高斯性永久化。 我们表明,现有的用于繁殖猫状态的协议可以使用 PhANTM 嵌入到集群状态处理中。

集群状态的量子计算类似于电路模型中的量子位计算,但集群状态模型会在初始资源中预先生成所有先决条件纠缠。 尽管集群状态的计算需要额外的所需量子比特数量的开销,但最近的实验证明了使用连续可变光场创建具有数千或数百万模式的大规模可扩展集群状态的能力。 迄今为止生成的连续变量簇状态由压缩光模式组成,这些模式都是高斯的,但通用量子计算将需要添加非高斯资源。 这种非高斯性可以通过玻色子编码(例如使用 GKP 量子位)或通过使用具有辅助非高斯状态的门隐形传态来包含。 当前实现必要的非高斯操作的提议依赖于辅助状态的离线准备,这通常是概率性的,然后将这些资源耦合到集群状态。 从某种意义上说,这违背了集群状态模型的目的,即预先生成所有必需的量子资源,但此外,辅助非高斯资源的概率性质对可扩展性提出了问题。
在这项工作中,我们设计了一种方法来引入所需的非高斯性,而无需辅助资源,只需对集群状态执行适当的测量即可。 这些测量采用光子减法运算的形式,然后是正常的零差检测以传送量子信息。 虽然生成非高斯态的其他方法(例如立方相态)可能需要数十个光子的分辨率,但我们只需要低光子数分辨率,这可以通过几种不同的技术实现。 尽管光子减法是概率性的,但在零差检测隐形传态后的重复应用意味着我们几乎可以肯定最终会成功,并且测量必须消耗一些额外的模式数量。 当成功的光子减法发生时,与星团纠缠的局部状态变为非高斯状态,并变成薛定谔小猫状态。 在隐形传态之前重复应用光子减法将猫状态的幅度增加到取决于簇状态中存在的挤压的水平。 令人惊讶的是,由于有限压缩,即使在存在高斯噪声的情况下,该过程也可以保持 cat 状态幅度。
这个过程,我们称之为光子计数辅助节点传送方法(PhANTM),可以在集群状态的许多单独的一维链上并行进行。 每条链中除一个集群状态节点外的所有节点都被测量消耗,但最后一个未测量的节点被转换为猫状态。 因此,该节点的局部量子信息可以用作非高斯资源,但重要的是,它一直与集群状态资源的其余部分纠缠在一起。 然后,我们继续证明培育猫状态以产生 GKP 状态的方法与集群状态形式主义兼容,这意味着我们的方法都可以生成猫状态,然后可以通过在连续的实验上进行可访问的测量来将这些猫状态培育成通用计算资源。 - 可变集群状态。 我们还鼓励与相位估计协议的连接,并提供示例来表明我们的方法可以在存在实验缺陷和退相干的情况下取得成功。

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