KR20240063934A - 양자 메모리를 포함한 선형 광학 제어 z-게이트 - Google Patents
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Abstract
선형 광학 CZ-게이트는 A1 입력단 및 A1 출력단을 가진 A1 광학 채널 및 A2 입력단 및 A2 출력단을 가진 A2 광학 채널, B1 입력단 및 B1 출력단을 가진 B1 광학 채널을 포함하며, 제1 양자 메모리는 A2 광학 채널에 광학적으로 결합되고, 제2 양자 메모리는 B1 광학 채널에 광학적으로 결합된다. A2 광학 채널 및 B1 광학 채널은 제1 양자 메모리 및 제2 양자 메모리 하류의 공통 광학 채널에서 수렴되고, 선형 광학 CZ-게이트는 공통 광학 채널에 광학적으로 결합된 비선형 사인 게이트, 및 B2 입력단 및 B2 출력단을 포함하는 B2 광학 채널을 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C.§ 119 하에, 2021년 9월 7일 자로 출원된 러시아 특허 출원 제2021126244호의 우선권 주장 출원이며, 상기 특허 출원의 내용은 전체적으로 여기에 병합된다.
본 명세서는 일반적으로 양자 컴퓨팅 논리 게이트에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 양자 메모리를 포함하는 선형 광학 제어 Z-게이트에 관한 것이다.
선형 광학 양자 컴퓨팅은 양자 논리 게이트와 큐비트를 사용하는 범용 양자 컴퓨터의 물리적 구현이다. 현재, 빔 스플리터와 위상 시프터를 사용하여 이중-레일 인코딩된 광자에 대해 단일 동작이 수행될 수 있다. 광학 요소의 단순성과 낮은 결잃음(low decoherence)은 양자 컴퓨팅을 위한 초전도 구현보다 선형 광학 구현을 더 매력적으로 만든다.
이에 따라서, 선형 광학 양자 컴퓨팅에 사용하기 위한 개선된 양자 논리 게이트와 같은 개선된 양자 컴퓨팅 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
본원의 제1 양태에 따르면, 선형 광학 CZ-게이트는 A1 입력단 및 A1 출력단을 가진 A1 광학 채널, A2 입력단 및 A2 출력단을 가진 A2 광학 채널, 여기서 제1 양자 메모리는 A2 광학 채널에 광학적으로 결합됨, B1 입력단 및 B1 출력단을 가진 B1 광학 채널을 포함하며, 제2 양자 메모리는 B1 광학 채널에 광학적으로 결합된다. A2 광학 채널 및 B1 광학 채널은 제1 양자 메모리 및 제2 양자 메모리 하류의 공통 광학 채널에서 수렴된다. 공통 광학 채널에 광학적으로 결합된 비선형 사인 게이트 및 B2 입력단 및 B2 출력단을 포함하는 B2 광학 채널을 포함한다.
본원의 제2 양태는 제1 양태의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, A2 광학 채널 및 B1 광학 채널은 비선형 사인 게이트 하류의 공통 광학 채널로부터 분기된다.
본원의 제3 양태는 제1 양태 또는 제2 양태의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 제1 및 제2 양자 메모리와 공통 광학 채널 사이의 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제1 광학 스위치 및 공통 광학 채널과 A2 출력단 사이의, 그리고 공통 광학 채널과 B1 출력단 사이의 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제2 광학 스위치를 더 포함한다.
본원의 제4 양태는 제3 양태의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, A2 광학 채널은 A2 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 A2 채널 아암과, 그리고 제2 광학 스위치로부터 A2 출력단까지 연장된 제2 A2 채널 아암을 포함하며, B1 광학 채널은 B1 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 B1 채널 아암과, 그리고 제2 광학 스위치로부터 B1 출력단까지 연장된 제2 B1 채널 아암을 포함한다.
본원의 제5 양태는 제1 내지 제4 양태 중 어느 하나의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, A2 입력단과 제1 양자 메모리 사이의, 그리고 B1 입력단과 제2 양자 메모리 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제1 광학 커플러 및 비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의, 그리고 비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제2 광학 커플러를 더 포함한다.
본원의 제6 양태는 제1 내지 제5 양태 중 어느 하나의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의 A2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제3 양자 메모리, 비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 B1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제4 양자 메모리, A1 입력단과 A1 출력단 사이의 A1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제5 양자 메모리 및 B2 입력단과 B2 출력단 사이의 B2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제6 양자 메모리를 더 포함한다.
본원의 제7 양태는 제1 내지 제6 양태 중 어느 하나의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 제1 양자 메모리는 양자 상태를 나타내는 광자를 흡수하고, 수신된 광자의 양자 상태를 가진 광자를 비선형 사인 게이트를 향해 방출하도록 구성된다.
본원의 제8 양태는 제1 내지 제7 양태 중 어느 하나의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 비선형 사인 게이트는 보조 광자 소스에 광학적으로 결합된 제1 입력단 및 제1 광자 검출기에 광학적으로 결합된 제1 출력단을 가진 제1 보조 채널, 제2 입력단 및 제2 출력단을 가진 제2 보조 채널, 여기서 제2 출력단은 제2 광자 검출기에 광학적으로 결합됨, 및 보조 광자 소스와 제1 광자 검출기 사이의 공통 광학 채널 및 제1 보조 채널에 광학적으로 결합되는 중앙 광학 커플러를 포함한다.
본원의 제9 양태는 제8 양태의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 비선형 사인 게이트는 보조 광자 소스와 중앙 광학 커플러 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제1 보조 광학 커플러 및 중앙 광학 커플러와 제2 광자 검출기 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제2 보조 광학 커플러를 더 포함한다.
본원의 제10 양태는 제8 양태 또는 제9 양태의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 보조 광자 소스는 단일 광자 소스를 포함하며, 그리고 제1 광자 검출기 및 제2 광자 검출기 각각은 단일 광자 검출기를 포함한다.
본원의 제11 양태는 제1 내지 제10 양태 중 어느 하나의 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 비선형 사인 게이트는 선형 광학 CZ-게이트에서 오직 단 하나의 비선형 사인 게이트이다.
본원의 제12 양태에 따르면, 선형 광학 CZ-게이트를 동작하는 방법은 선형 광학 CZ-게이트의 제1 양자 메모리를 사용하여 제1 양자 메모리에 의해 수신된 제1 양자 상태를 흡수하는 단계를 포함하며, 선형 광학 CZ-게이트는, A1 입력단 및 A1 출력단을 포함하는 A1 광학 채널, A2 입력단 및 A2 출력단을 포함하는 A2 광학 채널, 여기서 제1 양자 메모리는 A2 광학 채널에 광학적으로 결합됨, B1 입력단 및 B1 출력단을 포함하는 B1 광학 채널, 여기서 제2 양자 메모리는 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되며, 그리고 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널은 제1 양자 메모리 및 제2 양자 메모리 하류의 공통 광학 채널에서 수렴됨, 공통 광학 채널에 광학적으로 결합된 비선형 사인 게이트, 및 B2 입력단 및 B2 출력단을 포함하는 B2 광학 채널을 더 포함한다. 방법은 또한 제2 양자 메모리를 사용하여 제2 양자 메모리에 의해 수신된 제2 양자 상태를 흡수하는 단계, 제1 양자 상태를 제1 양자 메모리로부터 비선형 사인 게이트로 방출하는 단계, 제1 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계, 제2 양자 상태를 제2 양자 메모리로부터 비선형 사인 게이트로 방출하는 단계, 및 제2 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계를 포함한다.
본원의 제13 양태는 제12 양태의 방법을 포함하며, A1 양자 상태를 A1 광학 채널의 A1 입력단으로 지향시키는 단계, A2 양자 상태를 A2 광학 채널의 A2 입력단으로 지향시키는 단계, 여기서 A1 및 A2 양자 상태는 제1 논리 큐비트를 정의함, B1 양자 상태를 B1 광학 채널의 B1 입력단으로 지향시키는 단계, 및 B2 양자 상태를 B2 광학 채널의 B2 입력단으로 지향시키는 단계, 여기서 B1 및 B2 양자 상태는 제2 논리 큐비트를 정의함를 더 포함하며, 제1 광학 커플러는 A2 입력단과 제1 양자 메모리 사이의, 그리고 B1 입력단과 제2 양자 메모리 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되고, 제2 광학 커플러는 비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의, 그리고 비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되고, 제1 양자 상태는 A1-B2 양자 상태 중 하나이며, 그리고 제2 양자 상태는 A1-B2 양자 상태 중 하나이다.
본원의 제14 양태는 제13 양태의 방법을 포함하며, A1 양자 상태가 단일 광자를 포함하고, A2 양자 상태가 제로 광자를 포함할 때, 제1 논리 큐비트는 0-상태에 있고, A1 양자 상태가 제로 광자를 포함하고, A2 양자 상태가 단일 광자를 포함할 때, 제1 논리 큐비트는 1-상태에 있고, B1 양자 상태가 단일 광자를 포함하고, B2 양자 상태가 제로 광자를 포함할 때, 제2 논리 큐비트는 1-상태에 있으며 그리고 B1 양자 상태가 제로 광자를 포함하고, B2 양자 상태가 단일 광자를 포함할 때, 제2 논리 큐비트는 0-상태에 있다.
본원의 제15 양태는 제12 내지 제14 양태 중 어느 하나의 방법을 포함하며, 제1 양자 상태에 대해 사인 플립 기능을 수행하는 단계는, 비선형 사인 게이트의 보조 광자 소스로부터 비선형 사인 게이트의 제1 보조 채널의 제1 입력단으로 보조 광자를 지향시키는 단계를 포함한다. 비선형 사인 게이트는 제1 보조 채널의 제1 출력단에 광학적으로 결합된 제1 광자 검출기, 제2 입력단 및 제2 출력단을 포함하는 제2 보조 채널, 제2 출력단에 광학적으로 결합된 제2 광자 검출기, 보조 광자 소스와 제1 광자 검출기 사이의 공통 광학 채널 및 제1 보조 채널에 광학적으로 결합되는 중앙 광학 커플러, 보조 광자 소스와 중앙 광학 커플러 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제1 보조 광학 커플러, 및 중앙 광학 커플러와 제2 광자 검출기 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제2 보조 광학 커플러를 포함한다. 방법은 중앙 광학 커플러에서 제1 양자 상태를 수신하는 단계, 제1 광자 검출기에서 단일 광자를 검출하는 단계, 및 제2 광자 검출기에서 제로 광자를 검출하는 단계를 더 포함한다.
본원의 제16 양태는 제12 내지 제15 양태 중 어느 하나의 방법을 포함하며, 제1 양자 상태는 제1 양자 메모리로부터, 제1 및 제2 양자 메모리와 공통 광학 채널 사이의 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제1 광학 스위치로 지향되고, 제1 광학 스위치는 제1 양자 상태가 비선형 사인 게이트에 도달하고 사인 플립 기능을 겪도록 A2 광학 채널과 공통 광학 채널을 광학적으로 결합시킨 제1 위치에 있으며, 그리고 방법은 제1 광학 스위치를, 제1 위치로부터, B1 광학 채널이 공통 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제2 위치로 변화시켜, 제2 양자 상태가 제2 양자 메모리로부터 제1 광학 스위치로 지향되고, 그 후에 제2 양자 상태가 사인 플립 기능을 겪는 비선형 사인 게이트로 지향되도록 하는 단계를 더 포함한다.
본원의 제17 양태는 제16 양태의 방법을 포함하며, 제1 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계 후에, 방법은 제1 포스트-게이트 양자 상태를, 비선형 사인 게이트로부터, 제1 위치에 있는 제2 광학 스위치를 통하여, 그리고 제1 포스트-게이트 양자 상태가 흡수되는 제3 양자 메모리로 지향시키는 단계를 더 포함하며, 그리고 제2 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계 후에, 방법은 제2 포스트-게이트 양자 상태를, 비선형 사인 게이트로부터, 제2 위치에 있는 제2 광학 스위치를 통하여, 그리고 제2 포스트-게이트 양자 상태가 흡수되는 제4 양자 메모리로 지향시키는 단계를 더 포함한다.
본원의 제18 양태는 제17 양태의 방법을 포함하며, 제5 양자 메모리는 A1 광학 채널에 광학적으로 결합되고, 제6 양자 메모리는 B2 광학 채널에 광학적으로 결합되며, 그리고 방법은 A1 광학 채널을 횡단하는 양자 상태를 제5 양자 메모리로 흡수하는 단계, B2 광학 채널을 횡단하는 양자 상태를 제6 양자 메모리로 흡수하는 단계, 및 제3 양자 메모리, 제4 양자 메모리, 제5 양자 메모리, 및 제6 양자 메모리 각각으로부터 양자 상태를 동시에 방출하여, 양자 상태가 A1 출력단, A2 출력단, B1 출력단, 및 B2 출력단 각각에 동시에 도달하도록 하는 단계를 더 포함한다.
본원의 제19 양태에 따르면, 선형 광학 CZ-게이트는 A1 입력단 및 A1 출력단을 포함하는 A1 광학 채널, A2 입력단 및 A2 출력단을 포함하는 A2 광학 채널, A2 광학 채널은 A2 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 A2 채널 아암과, 그리고 제2 광학 스위치로부터 A2 출력단까지 연장된 제2 A2 채널 아암을 포함하며, 그리고 제1 양자 메모리는 제1 A2 채널 아암에 광학적으로 결합됨, B1 입력단 및 B1 출력단을 포함하는 B1 광학 채널을 포함한다. B1 광학 채널은 B1 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 B1 채널 아암과, 그리고 제2 광학 스위치로부터 B1 출력단까지 연장된 제2 B1 채널 아암을 포함하고, 제2 양자 메모리는 제1 B1 채널 아암에 광학적으로 결합되며, 그리고 제1 광학 커플러는 제1 및 제2 양자 메모리 상류의 제1 A2 채널 아암 및 제1 B1 채널 아암에 광학적으로 결합된다. 공통 광학 채널은 제1 광학 스위치로부터 제2 광학 스위치로 연장된다. 비선형 사인 게이트는 공통 광학 채널에 광학적으로 결합되고, B2 광학 채널은 B2 입력단 및 B2 출력단을 포함한다.
본원의 제20 양태는 선형 광학 CZ-게이트를 포함하며, 선형 광학 CZ-게이트는 비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의 A2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제3 양자 메모리, 비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 B1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제4 양자 메모리, A1 입력단과 A1 출력단 사이의 A1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제5 양자 메모리 및 B2 입력단과 B2 출력단 사이의 B2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제6 양자 메모리를 포함한다.
추가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에 기재될 것이며, 그 설명으로부터 통상의 기술자에게 쉽게 명백해지거나, 다음의 상세한 설명, 청구범위 및 첨부된 도면을 포함하여, 여기에 기술된 실시예를 실시함으로써 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명 모두는 다양한 실시예를 설명하고 청구된 주제의 본질과 특성을 이해하기 위한 개요 또는 틀을 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 다양한 실시예의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되었으며, 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 여기에 기술된 다양한 실시예를 예시하고, 설명과 함께 청구된 주제의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
본 발명의 특정 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 다음의 도면과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 수 있으며, 여기서 유사한 구조는 유사한 참조 번호로 표시되고, 여기서:
도 1은 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 양자 메모리 및 단일 비선형 사인 게이트를 포함하는 선형 광학 CZ-게이트를 개략적으로 도시하고;
도 2는 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 1의 비선형 사인 게이트를 보다 상세히 개략적으로 도시하며; 그리고
도 3은 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 2에 도시된 상세한 비선형 사인 게이트를 갖는 도 1의 선형 광학 CZ-게이트를 개략적으로 도시한다.
도 1은 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 양자 메모리 및 단일 비선형 사인 게이트를 포함하는 선형 광학 CZ-게이트를 개략적으로 도시하고;
도 2는 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 1의 비선형 사인 게이트를 보다 상세히 개략적으로 도시하며; 그리고
도 3은 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 2에 도시된 상세한 비선형 사인 게이트를 갖는 도 1의 선형 광학 CZ-게이트를 개략적으로 도시한다.
이제 선형 광학 제어 Z(CZ) 게이트의 실시예를 자세히 참조할 것이며, 그 실시예는 첨부 도면에 도시된다. 기존의 광학 CZ-게이트는 4개의 광학 채널 및 2개의 비선형 사인 게이트를 포함한다. KLM 프로토콜로 칭하는 선형 광학 CZ-게이트의 한 예는, 거의 결정론적인 많은 큐비트 변환을 생성하기 위한 빔스플리터, 위상 시프터 및 순간 이동 프로토콜을 기반으로 하는 선형 광학 CZ 게이트를 논의하는 E. Knill, R. Laflamme, G. Milburn, "Efficient Linear Optics Quantum Computation," arXiv:quant-ph/0006088(2000)에 기술된다. 그러나, KLM 프로토콜은 CZ 게이트를 형성하기 위해 많은 수의 선형 광학 요소가 요구되어, 확장성, 큐비트 동기화 및 오류율 문제가 발생한다. 예를 들어, KLM 프로토콜의 기존 광학 CZ 게이트는 2 개의 비-선형 사인 게이트를 사용한다. 여기에 기술된 실시예에서, 선형 광학 CZ-게이트를 통해 전파되는 양자 상태를 시간적으로 이격시키기 위해 양자 메모리를 통합하고 큐비트 동기화를 개선하며 단일 비선형 사인 게이트의 사용을 용이하게 하는 개선된 선형 광학 CZ 게이트가 기술된다. 단일 비선형 사인 게이트를 사용하면, 선형 광학 CZ-게이트의 광학 구성요소 수가 줄어들고 제1 사인 게이트 동작 실패(예를 들어, 사인 플립 기능 실패) 확인 후 선형 광학 CZ-게이트의 동작이 다시 시작될 수 있는 실패-고속 기능이 제공된다. 가능하다면, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부품을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용될 것이다.
이제 도 1을 참조하면, 선형 광학 CZ-게이트(100)가 개략적으로 도시된다. 선형 광학 CZ-게이트(100)는 4 개의 광학 채널; A1 입력단(111)과 A1 출력단(112)을 포함하는 A1 광학 채널(110), A2 입력단(121)과 A2 출력단(122)을 포함하는 A2 광학 채널(120), B1 입력단(131)과 B1 출력단(132)을 포함하는 B1 광학 채널(130), 및 B2 입력단(141)과 B2 출력단(142)을 포함하는 B2 광학 채널(140)을 포함한다. 선형 광학 CZ-게이트(100)는 선형 광학 CZ-게이트(100)에서 전파하는 큐비트의 양자 상태를 저장하는 다중 양자 메모리(160)를 포함한다. 제1 양자 메모리(161)는 A2 광학 채널(120)에 광학적으로 결합되고, 제2 양자 메모리(162)는 B1 광학 채널(130)에 광학적으로 결합된다. A2 광학 채널(120)과 B1 광학 채널(130)은 제1 양자 메모리(161)와 제2 양자 메모리(162) 하류의 공통 광학 채널(105)에서 수렴한다. 더욱이, 공통 광학 채널(105)에는 비선형 사인 게이트(170)가 광학적으로 결합된다. 이로써, 제1 양자 메모리(161)와 제2 양자 메모리(162)는 A1-B2 입력단(111, 121, 131, 141)과 비선형 사인 게이트(170) 사이에 위치하게 된다. 동작 시, 제1 양자 메모리(161)와 제2 양자 메모리(162)는 큐비트가 선형 광학 CZ-게이트(100)를 통해 전파되는 동안 큐비트의 양자 상태를 일시적으로 저장한다. 다중 양자 메모리(160)를 포함하면 통상적인 광학 CZ 게이트의 2 개의 비선형 사인 게이트와 비교하여, 단일 비선형 사인 게이트(170)의 사용이 가능해진다.
여기에 사용되는 바와 같이, "광학적으로 결합된"은 광자 펄스 및/또는 양자 상태가 그들 사이에 전달될 수 있도록 배치된 2개 이상의 구성요소를 지칭한다. 예를 들어, 광학 채널은 선형 광학 CZ-게이트(100)의 구성 요소를 광학적으로 결합할 수 있다. 광학 채널은 자유 공간; 렌즈 등과 같은 수집 광학기기와 결합된 자유 공간 및/또는 코어와, 코어를 둘러싸는 클래딩을 포함하는 광학 섬유, 평면 도파관 등과 같은 광학 도파관을 포함할 수 있다.
선형 광학 CZ-게이트(100)는 제3 양자 메모리(163), 제4 양자 메모리(164), 제5 양자 메모리(165), 및 제6 양자 메모리(166) 등의 추가적인 양자 메모리(160)를 더 포함할 수 있다. 제3 양자 메모리(163)는 비선형 사인 게이트(170)와 A2 출력단(122) 사이의 A2 광학 채널(120)에 광학적으로 결합된다. 제4 양자 메모리(164)는 비선형 사인 게이트(170)와 B1 출력단(132) 사이의 B1 광학 채널(130)에 광학적으로 결합된다. 제5 양자 메모리(165)는 A1 입력단(111)과 A1 출력단(112) 사이의 A1 광학 채널(110)과 광학적으로 결합된다. 제6 양자 메모리(166)는 B2 입력단(141)과 B2 출력단(142) 사이의 B2 광학 채널(140)과 광학적으로 결합된다. 제3-6 양자 메모리(163-166)를 포함하면 A1-B2 광학 채널(110-140)의 출력단(112, 122, 132, 142)에서 양자 상태의 동시 도착이 용이해진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 선형 광학 CZ-게이트(100)는 제1 광학 스위치(150)와 제2 광학 스위치(152)를 더 포함한다. 제1 및 제2 양자 메모리(161, 162)와 공통 광학 채널(105) 사이의 제1 광학 스위치(150)는 A2 광학 채널(120) 및 B1 광학 채널(130)에 광학적으로 결합된다. 공통 광학 채널(105)과 A2 출력단(122) 사이, 그리고 공통 광학 채널(105)과 B1 출력단(132) 사이의 제2 광 스위치(152)는 A2 광학 채널(120)과 B1 광학 채널(130)에 광학적으로 결합된다. A2 광학 채널(120)은 제1 A2 채널 아암(124) 및 제2 A2 채널 아암(126)을 포함한다. 유사하게 B1 광학 채널은 제1 B1 채널 아암(134) 및 제2 B1 채널 아암(136)을 포함한다. 제1 A2 채널 아암(124)은 A2 입력단(121)으로부터 제1 광 스위치(150)까지 연장되고, 제2 A2 채널 아암(126)은 제2 광 스위치(152)로부터 A2 출력단(122)까지 연장된다. 제1 B1 채널 아암(134)은 B1 입력단(131)으로부터 제1 광 스위치(150)까지 연장되고, 제2 B1 채널 아암(136)은 제2 광학 스위치(152)로부터 B1 출력단(132)까지 연장된다. 공통 광학 채널(105) 및 비선형 사인 게이트(170)는 제1 A2 및 B1 채널 아암(124, 134)과 제2 A2 및 B1 채널 아암(126, 136) 사이에 위치된다. 제1 A2 채널 아암(124)과 제1 B1 채널 아암(134)은 공통 광학 채널(105)을 형성하기 위해 비선형 사인 게이트(170)의 상류에서 수렴한다. 추가로, A2 광학 채널(120) 및 B1 광학 채널(130)은 비선형 사인 게이트(170) 하류의 공통 광학 채널(105)로부터 분기되어 제2 A2 및 B1 채널 아암(126, 136)을 형성한다.
동작 시, 제1 광학 스위치(150)는 제1 위치 또는 제2 위치에 있을 수 있고, 제어기(102)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 제1 위치로부터 제2 위치로 또는 그 반대로 이동될 수 있다. 유사하게, 제2 광학 스위치(152)는 제1 위치 또는 제2 위치에 있을 수 있고, 제어기(102)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 제1 위치로부터 제2 위치로 또는 그 반대로 이동될 수 있다. 제1 광학 스위치(150)가 제1 위치에 있을 때, A2 광학 채널(120), 구체적으로 제1 A2 채널 아암(124)과 공통 광학 채널(105)이 광학적으로 결합되어 제1 양자 메모리(161)에 의해 방출된 양자 상태가 비선형 사인 게이트(170)에 도달할 수 있다. 제1 광학 스위치(150)가 제2 위치에 있을 때, B1 광학 채널(130), 구체적으로 제1 B1 채널 아암(134)과 공통 광학 채널(105)이 광학적으로 결합되어 제2 양자 메모리(162)에 의해 방출된 양자 상태가 비선형 사인 게이트(170)에 도달할 수 있다. 제2 광학 스위치(152)가 제1 위치에 있을 때, A2 광학 채널(120), 구체적으로 제2 A2 채널 아암(126)과 공통 광학 채널(105)이 광학적으로 결합되어 비선형 사인 게이트(170)에 의해 출력된 양자 상태가 제3 양자 메모리(163)에 도달한다. 제2 광학 스위치(152)가 제2 위치에 있을 때, B1 광학 채널(130), 구체적으로 제2 B2 채널 아암(136)과 공통 광학 채널(105)이 광학적으로 결합되어 비선형 사인 게이트(170)에 의해 출력된 양자 상태가 제4 양자 메모리(164)에 도달한다.
선형 광학 CZ-게이트(100)는 제1 광학 커플러(154)와 제2 광학 커플러(156)를 더 포함한다. 제1 광학 커플러(154)는 A2 입력단(121)과 제1 양자 메모리(161) 사이 및 B1 입력단(131)과 제2 양자 메모리(162) 사이의 위치에서 A2 광학 채널(120)과 B1 광학 채널(130)에 광학적으로 결합된다. 제2 광학 커플러(156)는 비선형 사인 게이트(170)와 A2 출력단(122) 사이, 그리고 비선형 사인 게이트(170)와 B1 출력단(132) 사이의 위치에서 A2 광학 채널(120)과 B1 광학 채널(130)에 광학적으로 결합된다. 제1 광학 커플러(154) 및 제2 광학 커플러(156)에서 양자 상태는 A2 광학 채널(120)로부터 B1 광학 채널(130)로 또는 그 반대로 이동할 수 있다. 예를 들어, A 논리 큐비트의 1-상태를 나타내는 A2 광학 채널(120)에서 전파하는 광자는 제1 광학 커플러(154)에서 A2 광학 채널(120)로부터 B1 광학 채널(130)로 전파될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 광학 커플러(154)와 제2 광학 커플러(156)는 제1 및 제2 광학 커플러(154, 156)가 제1 및 제2 광학 커플러(154, 156)에 들어가는 광자의 50%를 A2 광학 채널(120)로 지향시키고, 제1 및 제2 광학 커플러(154, 156)로 들어가는 광자의 50%를 B1 광학 채널(130)로 지향시키도록, 50:50의 결합 비율을 포함한다. 그러나, 이해하여야 하는 바와 같이, 제1 및 제2 광학 커플러(154, 156)는 다른 결합 비율, 10:90로부터 90:10까지, 그 예로 20:80, 25:75, 40:60, 45:55, 50:50, 55:45, 60:40, 75:25, 80:20 등의 결합 비율의 범위를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 광학 커플러(154, 156)는 50:50 빔 스플리터와 같은 빔스플리터를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 광학 커플러(154, 156)는, 예를 들어, 방향성 커플러, 다중 모드 간섭계, STIRAP(stimulated Raman adiabatic passage) 커플러, 반투명 미러, 또는 당업계에 공지된 다른 광학 커플러를 포함할 수 있다.
선형 광학 CZ-게이트(100)는, 제어기(102)와 선형 광학 CZ-게이트(100)의 다양한 구성 요소 사이에 신호 상호연결성을 제공하는 통신 경로(104)를 사용하여 선형 광학 CZ-게이트(100)에 통신 가능하게 결합된 제어기(102)를 더 포함하는 양자 컴퓨팅 시스템의 일부일 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "통신적으로 결합된"은 결합된 구성요소가 예를 들어 전도성 매체를 통한 전기 신호, 공기를 통한 전자기 신호, 광학 도파관을 통한 광학 신호 등과 같은 데이터 신호를 서로 교환할 수 있음을 의미한다. 동작 시, 제어기(102)는 제1 광학 스위치(150), 제2 광학 스위치(152) 및 양자 메모리(160) 각각에 제어 신호를 제공한다. 제어기(102)로부터의 제어 신호는 제1 및 제2 광학 스위치(150, 152)의 위치를 설정(즉, 변경 또는 유지)할 수 있다. 제어기(102)는 양자 상태의 방출 시간을 정하기 위해 양자 메모리(160)에 제어 신호를 전송할 수 있다. 일부 실시예에서, 선형 광학 CZ-게이트(100)는 "온칩" 디바이스와 같은 집적형 광자 디바이스로서 구현될 수 있다. 선형 광학 CZ-게이트(100)의 일부 또는 모든 구성요소는 평면 도파관에 내장될 수 있거나, 또는 평면 도파관(예를 들어, 레이저 기록 도파관)의 일부일 수 있다. 다른 실시예에서, 선형 광학 CZ-게이트(100)는 벌크 광학기기를 포함할 수 있다.
선형 광학 CZ-게이트(100)는 듀얼 레일(dual-rail) 큐비트 인코딩을 사용하는 양자 컴퓨터에 사용될 수 있는 논리 게이트이다. 이론에 의해 제한하려는 의도는 아니지만, 큐비트의 양자 상태는 공간적, 편광 또는 시간적일 수 있는 두 가지 광학 모드에 있는 광자의 중첩에 따라 달라진다. 여기에 설명된 선형 광학 CZ-게이트(100)는 공간 광학 모드를 사용하고, 이로써 선형 광학 CZ-게이트(100)를 전파하는 2개의 큐비트 각각을 나타내기 위해 2개의 광학 채널을 사용한다. 즉, 선형 광학 CZ-게이트(100)의 A1 광학 채널(110)과 A2 광학 채널(120)에는 제1 논리 큐비트(A)가 A1 양자 상태와 A2 양자 상태로 코딩된다. A1 양자 상태는 단일 광자 또는 널 상태(null state)(즉, 제로 광자)일 수 있고, A2 양자 상태는 단일 광자 또는 널 상태(즉, 제로 광자)일 수 있다. A1 양자 상태가 단일 광자를 포함하고 A2 양자 상태가 제로 광자를 포함할 시에, 제1 논리 큐비트 A는 0-상태에 있다. A1 양자 상태가 제로 광자를 포함하고 A2 양자 상태가 단일 광자를 포함할 시에, 제1 논리 큐비트 A는 1-상태에 있다. 수학적으로 말하면, 제1 큐비트 A는 아래의 수학식(1)과 수학식(2)에 따라 광학 채널 A1과 광학 채널 A2에 코딩된다.
(1)
(2)
B1 광학 채널(130)과 B2 광학 채널(140)에는 제2 논리 큐비트(B)가 B1 양자 상태와 B2 양자 상태로 코딩된다. B1 양자 상태는 단일 광자 또는 널 상태(즉, 제로 광자)일 수 있고, B2 양자 상태는 단일 광자 또는 널 상태(즉, 제로 광자)일 수 있다. B1 양자 상태가 단일 광자를 포함하고 B2 양자 상태가 제로 광자를 포함할 시에, 제2 논리 큐비트는 1-상태에 있다. B1 양자 상태가 제로 광자를 포함하고 B2 양자 상태가 단일 광자를 포함할 시에, 제2 논리 큐비트는 0-상태에 있다. 수학적으로 말하면, 제2 큐비트 B는 아래의 수학식(3)과 수학식(4)에 따라 광학 채널 B1과 광학 채널 B2에 코딩된다.
(3)
(4)
각 양자 메모리(160)는 큐비트의 양자 상태를 저장 및 방출하도록 구조적으로 구성된다. 예를 들어, 양자 메모리(160)가 수신한 양자 상태가 1-상태일 때, 양자 상태는 광자로 표현되며, 광자는 저장될 수 있고, 예를 들어, 비-선형 광학 프로세스를 통해 흡수될 수 있다. 양자 메모리(160)가 수신한 양자 상태가 0-상태일 때, 양자 상태는 제로 광자(즉, 널 상태)로 표현된다. 양자 메모리(160)는 이러한 널 상태를 비활성 상태로 저장하고, 이로써 0-상태의 시간적 및 공간적 위치가 제어되고 0-상태는 해당 1-상태와의 조정을 유지한다. 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 각 양자 메모리(160)는 광자 펄스(예를 들어, 큐비트의 1-상태를 나타내는 광자 펄스)를 수신하면 비-선형 광학 프로세스를 통해 광자를 흡수하도록 구조적으로 구성되고, 이에 따라 양자 메모리(160)의 원자 앙상블 상태(atomic ensemble state)를 바닥 상태(ground state)와 같은 제1 에너지 상태로부터 비-바닥 상태, 예를 들어 들뜬 상태(excited state)와 같은 제2 에너지 상태로 여기시킨다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "원자 앙상블 상태"는 양자 메모리(160)를 포함하는 원자의 에너지 상태의 배열을 지칭한다. 비-제한적인 예로서, 제1 에너지 상태에서는 양자 메모리(160)의 전자가 바닥 상태에 있을 수 있고, 제2 에너지 상태에서는 이들 전자 중 일부가 들뜬 상태로 이동할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 에너지 상태는 제2 에너지 상태보다 더 낮은 총 에너지를 가질 수 있다. 이론에 의해 제한될 의도는 아니지만, 각 양자 메모리(160)의 원자 앙상블 상태는 외부 자극 없이 일정 시간(a period of time)이 지난 후, 또는 제어기(102)로부터 수신된 제어 신호와 같은 외부 자극을 수신하면 제1 에너지 상태로 복귀할 수 있다. 제1 에너지 상태로 복귀하면, 광자가 방출된다.
각 양자 메모리(160)는, 수신된 큐비트의 양자 상태가 원자 앙상블에 의해 보존되고 해당 수신된 광자 또는 널 상태와 양자 상태를 공유하는 방출된 광자 또는 널 상태로 방출될 수 있는 방식으로, 개별 양자 상태가 흡수될 수 있는 원자 조립체와 같은, 임의적으로 알려졌거나 아직 개발 중인 양자 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방출된 광자는 요청 시(예를 들어, 제어기(102)의 제어 신호 수신 시) 또는 설정된 지연 후에 방출될 수 있다. 추가로, 널 상태가 방출될 시에, 널 상태(즉, 0-상태)는 그 큐비트의 해당 1-상태와 시간적 및 공간적 조정을 유지한다.
몇 가지 예시적인 양자 메모리는 Sangouard et al., "Quantum Repeaters Based on Atomic Ensembles and Linear Optics"; Review of Modern Physics, vol. 83 Jan.-Mar. 2011; pp. 33-80에 기재되고, 여기에서 양자 메모리는양자 중계기에서 사용되어 얽힘 교환(entanglement swapping)을 가능하게 한다. 다른 예시적인 양자 메모리는, 뉴욕주 코닝 소재의 Corning Incorporated에 양도되고, 명칭이 "Quantum Memory Systems and Quantum Repeater Systems Comprising Doped Polycrystalline Ceramic Optical Devices and Methods of Manufacturing the Same"인 미국 특허 공보 제2018/0322921호에 기술된 양자 메모리 시스템을 포함한다. 다른 예시적인 양자 메모리는 마이크로파 또는 무선 주파수(RF)에서 실현될 수 있으며, 여기서 광자의 전자기장은 도파관(예를 들어, 금속, 초전도 도파관)을 따라 정보의 기본 캐리어(elemental carrier)로 사용된다. 이 접근법의 예는 Moiseev 등의 "Broadband Multiresonator Quantum Memory-Interface," Scientific Reports 8:3982(2018)에 기술되어 있다. 다른 예시적인 양자 메모리는 광학 및/또는 통신 파장 범위의 광자를 위한 마이크로 공진기를 사용하여 실현될 수 있다. 더욱이, 예시적인 양자 메모리는 광학 광자를 마이크로파 광자로 변환하거나 그 반대로 변환할 수 있다. 이 접근법의 예는 Williamson 등의 "Magneto-Optic Modulator with Unit Quantum Efficiency," Phys. Rev. Lett. 113, 203601, Nov. 14, 2014에 기술되어 있다.
제1 양자 메모리(161)와 제2 양자 메모리(162)는 양자 상태를 저장하기 때문에, A2 광학 채널(120)과 B1 광학 채널(130)을 횡단하는 큐비트의 양자 상태는 시간적으로 이격될 수 있어, A2 광학 채널(120)과 B1 광학 채널(130)이 제1 양자 메모리(161)와 제2 양자 메모리(162) 하류의 공통 광학 채널(105)에서 수렴하도록 하고, 선형 광학 CZ-게이트(100)가 단일 비선형 사인 게이트(170)를 포함하도록 허용한다.
이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 비선형 사인 게이트(170)는 더 자세히 도시된다. 비선형 사인 게이트(170)는 보조 광자 소스(180)에 광학적으로 결합된 제1 입력단(172) 및 제1 광자 검출기(182)에 광학적으로 결합된 제1 출력단(174)을 가진 제1 보조 채널(ancilla channel, 171)을 포함한다. 비선형 사인 게이트(170)는 또한 제2 입력단(176) 및 제2 출력단(178)를 가진 제2 보조 채널(175)을 포함한다. 제2 출력단(178)은 제2 광자 검출기(184)에 광학적으로 결합된다. 비선형 사인 게이트(170)는 또한 보조 광자 소스(180)와 제1 광자 검출기(182) 사이에서, 제1 보조 채널(171) 및 공통 광학 채널(105)에 광학적으로 결합된 중앙 광학 커플러(190)를 포함한다. 부가적으로, 제1 보조 광학 커플러(192)는 보조 광자 소스(180)와 중앙 광학 커플러(190) 사이에서 제1 보조 채널(171) 및 제2 보조 채널(175)에 광학적으로 결합되고, 제2 보조 광학 커플러(194)는 중앙 광학 커플러(190)와 제2 광자 검출기(184) 사이에서 제1 보조 채널(171) 및 제2 보조 채널(175)에 광학적으로 결합된다. 보조 광자 소스(180)는 양자점, 컬러 센터 등과 같은 단일 광자 소스를 포함할 수 있다. 부가적으로, 제1 및 제2 광자 검출기(182, 184)는 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기, 탄소 나노와이어 검출기, 애벌런치 포토다이오드 검출기, 로우 다크 카운트 포토다이오드 검출기(low dark count photodiode detector) 등과 같은 단일 광자 검출기를 포함한다. 중앙 광학 커플러(190), 제1 보조 광학 커플러(192), 및 제2 보조 광학 커플러(194) 각각은 제1 및 제2 광학 커플러(154, 156)에 대해 위에서 설명된 광학 커플러 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 더욱이, 중앙 광학 커플러(190), 제1 보조 광학 커플러(192) 및 제2 보조 광학 커플러(194) 각각은 E. Knill, R. Laflamme, G. Milburn, "Efficient Linear Optics Quantum Computation," arXiv:quant-ph/0006088 (2000)에 기술된 바와 같이 최적화된 서로 다른 결합 비율을 포함한다.
동작 시, 비선형 사인 게이트(170)는 아래 수학식(5)에 따라 Fock 기반(때때로 광자 수 공간이라고도 함)의 양자 상태에 대한 사인 플립 기능(sign flip function)을 수행한다.
(5)
여전히 도 2 및 3을 참조하면, 양자 상태에 대한 사인 플립 기능을 수행하는 것은 보조 광자 소스(180)로부터 제1 보조 채널(171)의 제1 입력단(172)로 보조 광자를 지향시키고 제1 양자 메모리(161) 또는 제2 양자 메모리(162)로부터 중앙 광학 커플러(190)에서 양자 상태를 수신하는 것을 포함한다. 제1 양자 메모리(161) 또는 제2 양자 메모리(162)로부터의 양자 상태의 방출 및 보조 광자 소스(180)로부터의 보조 광자의 방출이 제어될 수 있기 때문에, 중앙 광학 커플러(190)에 양자 상태 및 보조 광자의 도착이 동기화될 수 있다. 중앙 광학 커플러(190)에 도달하기 전에, 보조 광자는 제1 보조 광학 커플러(192)를 횡단한다. 제1 보조 광학 커플러(192)는 보조 광자를 제1 보조 채널(171)로 지향시키거나, 또는 보조 광자를 제2 보조 채널(175)로 지향시킨다. 제1 보조 광학 커플러(192)는 0.8 내지 0.9, 그 예로 0.8, 0.81, 0.82, 0.83, 0.84, 0.85, 0.86, 0.87, 0.88, 0.89 또는 0.9의 반사율을 포함한다. 보조 광자가 제1 보조 채널(171)로 지향될 때, 제1 양자 메모리(161) 또는 제2 양자 메모리(162)에 의해 방출된 양자 상태와 동시에 중앙 광학 커플러(190)에 도달할 수 있다. 중앙 광학 커플러(190)는 양자 상태를 제1 보조 채널(171)로 지향시키거나, 또는 양자 상태를 다시 공통 광학 채널(105)로 지향시킨다. 중앙 광학 커플러(190)는 0.15 내지 0.25, 그 예로 0.15, 0.16, 0.14, 0.18, 0.19, 0.2, 0.21, 0.22, 0.23, 0.24 또는 0.25의 반사율을 포함한다. 유사하게, 보조 광자가 중앙 광학 커플러(190)에 도달할 때, 보조 광자는 제1 보조 채널(171) 내로 다시 지향되거나, 또는 공통 광학 채널(105) 내로 지향된다. 제2 보조 광학 커플러(194)는 또한 보조 광자 및/또는 양자 상태를 제1 광자 검출기(182)로 지향시키거나, 또는 보조 광자 및/또는 양자 상태를 제1 광자 검출기(184)로 지향시킨다. 제2 보조 광학 커플러(194)는 0.8 내지 0.9, 그 예로 0.8, 0.81, 0.82, 0.83, 0.84, 0.85, 0.86, 0.87, 0.88, 0.89 또는 0.9의 반사율을 포함한다.
이 단계에서, 제1 광자 검출기(182) 및 제2 광자 검출기(184)는 제1 광자 검출기(182) 또는 제2 광자 검출기(184) 각각이 단일 광자 또는 널 상태를 수신했는지 여부를 결정하는 검출을 수행한다. 동작 시, 단일 광자가 제1 광자 검출기(182)에서 검출되고 제로 광자가 제2 광자 검출기에서 검출될 때 사인 플립 기능은 성공적이며, 이는 1/4 비율(1 in 4 rate)로 발생한다. 더욱이, 단일 비선형 사인 게이트(170)를 사용하면 종래의 선형 CZ-게이트에 비해 선형 광학 CZ-게이트(100)의 단일 광자 소스 및 광자 검출기의 수가 감소된다. 부가적으로, 단일 비선형 사인 게이트(170)를 사용하면 선형 광학 CZ-게이트(100)의 동작이 제1 사인 게이트 동작 실패(예를 들어, 사인 플립 기능 실패)를 확인한 후 다시 시작될 수 있는 실패-고속 기능이 제공된다.
선형 광학 CZ-게이트(100)의 동작은 아래의 수학식(6)을 사용하여 수학적으로 설명될 수 있으며, 여기서 α, β, γ 및 δ는 선형 광학 CZ-게이트(100)에 의해 수정되는 임의의 양자 상태의 계수이다.
(6)
여기서:
(7)
(8)
(9)
(10)
이제 도 1-3을 참조하면, 선형 광학 CZ-게이트(100)를 동작시키는 방법은 A1 양자 상태를 A1 광학 채널(110)의 A1 입력단(111)으로 지향시키고 A2 양자 상태를 A2 광학 채널(120)의 A2 입력단(121)으로 지향시키는 단계를 포함한다. A1 및 A2 양자 상태는 제1 논리 큐비트 A를 정의하여 A1 및 A2 양자 상태를 A1 광학 채널(110)로 지향시키고 A2 광학 채널(120)은 단일 광자 및/또는 널 상태를 A1 광학 채널(110) 및 A2 광학 채널(120)로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 선형 광학 CZ-게이트(100)를 동작시키는 방법은 또한 B1 양자 상태를 B1 광학 채널(130)의 B1 입력단(131)으로 지향시키고, B2 양자 상태를 B2 광학 채널(140)의 B2 입력단(141)으로 지향시키는 단계를 포함한다. B1 및 B2 양자 상태는 제2 논리 큐비트(B)를 정의하여 B1 및 B2 양자 상태를 B1 광학 채널(130)로 지향시키고 B2 광학 채널(140)은 단일 광자 및/또는 널 상태를 B1 광학 채널(130) 및 B2 광학 채널(140)로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 선형 광학 CZ-게이트(100)는 양자 컴퓨팅 시스템의 일부로서 통합될 수 있으며, 이로써 A1-B2 양자 상태는 양자 컴퓨팅 시스템의 또 다른 위치로부터 Al-B2 입력단(111, 121, 131, 141)으로 지향될 수 있으며 각 논리 큐비트의 1-상태를 나타내는 광자는 하나 이상의 광자 소스에서 유래될 수 있다.
다음으로, A2 양자 상태와 B1 양자 상태가 제1 광학 커플러(154)를 횡단한다. 제1 광학 커플러(154)가 50:50 결합 비율을 포함할 때, 이는 A2 양자 상태를 A2 광학 채널(120)로부터 B1 광학 채널(130)로 1/2 비율로 지향시키고 A2 양자 상태를 A2 광학 채널(120)에서 1/2 비율로 유지한다. 부가적으로, 제1 광학 커플러(154)는 B1 양자 상태를 B1 광학 채널(130)로부터 A2 광학 채널(120)로 1/2 비율로 지향시키고, B1 양자 상태를 B1 광학 채널(130)에서 1/2 비율로 유지한다. 다음으로, 선형 광학 CZ-게이트(100)를 동작시키는 방법은 제1 양자 메모리(161)가 수신한 제1 양자 상태를, 제1 양자 메모리(161)를 사용하여 흡수하고, 제2 양자 메모리(162)가 수신한 제2 양자 상태를 제2 양자 메모리(162)를 사용하여 흡수하는 단계를 포함한다. 제1 양자 상태는 제1 광학 커플러(154)가 A2 양자 상태와 B1 양자 상태를 어디로 지향시키는지에 따라, A 큐비트의 A2 양자 상태 또는 B 큐비트의 B1 양자 상태를 포함할 수 있다. 다음으로, 예를 들어, 제어기(102)로부터 제어 신호를 수신하면 제1 양자 상태는 제1 양자 메모리(161)로부터 비선형 사인 게이트(170)로 방출된다.
방출 시, 제1 양자 상태는 제1 양자 메모리(161)로부터 제1 위치에 있는 제1 광학 스위치(150)로 지향되고, 제1 광학 스위치는 A2 광학 채널(120)과 공통 광학 채널(105)을 광학적으로 결합하여 제1 양자 상태가 비선형 사인 게이트(170)에 도달하도록 한다. 비선형 사인 게이트(170)에서, 제1 양자 상태는 사인 플립 기능을 겪는다. 제1 양자 상태에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계는 비선형 부호 게이트(170)의 보조 광자 소스(180)로부터 보조 광자를 제1 보조 채널(171)의 제1 입력단(172)로 지향시키고 중앙 광학 커플러(190)에서 제1 양자 상태를 수신하는 단계를 포함한다. 사인 플립 기능은 단일 광자가 제1 광자 검출기(182)에서 검출되고 널 상태(즉, 제로 광자)가 제2 광자 검출기(184)에서 검출될 때 성공적이다. 제1 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트(170)에서 사인 플립 기능을 수행한 후, 방법은 제1 포스트-게이트 양자 상태를, 비선형 사인 게이트(170)로부터 제1 위치에 있는 제2 광학 스위치(152)를 통해, 제1 포스트-게이트 양자 상태가 흡수되는 제3 양자 메모리(163)로 지향시키는 단계를 더 포함한다. 제1 및 제2 광자 검출기(182, 184)를 사용하여 결정되는 사인 플립 기능이 성공적인 경우, 제1 포스트-게이트 양자 상태는 A2 양자 상태 또는 B1 양자 상태를 포함한다. 사인 플립 기능이 성공하지 못한 경우, 선형 광학 CZ-게이트(100)의 동작은 다시 시작되어 실패한 동작에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
사인 플립 기능이 성공하는 경우, 동작은 계속되고, 제1 광학 스위치(150)와 제2 광학 스위치(152)는 제1 위치로부터 제2 위치로 변화되어, B1 광학 채널(130)의 제1 B1 채널 아암(134)과 제2 B1 채널 아암(136)은 공통 광학 채널(105)에 광학적으로 결합된다. 다음으로, 예를 들어 제어기(102)로부터 제어 신호를 수신하면 제2 양자 상태가 제2 양자 메모리(162)로부터 비선형 사인 게이트(170)로 방출된다. 방출 시, 제2 양자 상태는 제2 양자 메모리(162)로부터 이제 제2 위치에 있는 제1 광학 스위치(150)로 지향되어, 제2 양자 상태가 비선형 사인 게이트(170)에 도달하도록 한다. 비선형 사인 게이트(170)에서, 제2 양자 상태는 사인 플립 기능을 겪는다. 제2 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트(170)에서 사인 플립 기능을 수행한 후, 방법은 제2 포스트-게이트 양자 상태를, 비선형 사인 게이트(170)로부터 제2 위치에 있는 제2 광학 스위치(152)를 통해, 제2 포스트-게이트 양자 상태가 흡수되는 제4 양자 메모리(164)로 지향시키는 단계를 더 포함한다. 제1 및 제2 광자 검출기(182, 184)를 사용하여 결정되는 사인 플립 기능이 성공적인 경우, 제2 포스트-게이트 양자 상태는 A2 양자 상태 또는 B1 양자 상태를 포함한다.
전술한 바와 같이, 선형 광학 CZ-게이트(100)는 A1 광학 채널(110)에 광학적으로 결합되는 제5 양자 메모리(165) 및 B2 광학 채널(140)에 광학적으로 결합되는 제6 양자 메모리(166)를 더 포함한다. 선형 광학 CZ-게이트(100)를 동작시키는 것은 A1 양자 상태와 같은 양자 상태를 흡수하고, 제5 양자 메모리(165)로 A1 광학 채널을 횡단하며, B2 양자 상태와 같은 양자 상태를 흡수하고, 제6 양자 메모리(166)로 B2 광학 채널(140)을 횡단하는 단계를 더 포함한다. 제3 양자 메모리(163), 제4 양자 메모리(164), 제5 양자 메모리(165), 및 제6 양자 메모리(166)를 사용하여 양자 상태를 흡수하는 것은 흡수된 양자 상태가 제3 양자 메모리(163), 제4 양자 메모리(164), 제5 양자 메모리(165), 및 제6 양자 메모리(166) 각각으로부터 조정 방식으로 방출되도록 하고, 양자 상태가 A1 출력단(112), A2 출력단(122), B1 출력단(132), 및 B2 출력단(142) 각각에 동시에 도달하도록 한다. 더욱이, A2 출력단(122) 또는 B1 출력단(132)에 도달하기 전에, 제4 양자 메모리(164) 및 제5 양자 메모리(165)에 의해 방출된 양자 상태는 제2 광학 커플러(156)를 횡단한다.
본 발명의 기술을 설명하고 정의할 목적으로, 파라미터 또는 또 다른 변수의 "함수"인 변수에 대한 여기에서의 참조는 변수가 나열된 파라미터 또는 변수의 함수일 뿐이라는 것을 나타내려는 의도가 아니라는 점에 주목해야 한다. 오히려, 나열된 파라미터의 "함수"인 변수에 대한 여기에서의 참조는 변수가 단일 파라미터 또는 복수의 파라미터의 함수일 수 있도록 개방형으로 의도된다.
또한, 여기에서 "적어도 하나"의 구성요소, 요소 등을 인용하여 관사 "하나" 또는 "한"의 대체 사용이 단일 구성요소, 요소 등으로 제한되어야 한다는 추론을 생성하는 데 사용되어서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.
특정 속성 또는 기능을 특정 방식으로 구현하기 위해 특정 방식으로 "구성"되는 본 개시의 구성요소에 대한 여기서의 언급은 의도된 사용에 대한 언급과 반대되는 구조적 언급이라는 점에 주목해야 한다. 보다 구체적으로, 구성요소가 "구성"되는 방식에 대한 여기에서의 참조는 구성요소의 기존 물리적 상태를 나타내며, 따라서 구성 요소의 구조적 특성에 대한 명확한 언급으로 간주되어야 한다.
본 발명의 기술을 설명하고 정의할 목적으로, "실질적으로" 및 "약"이라는 용어는 임의의 정량적 비교, 값, 측정 또는 다른 표현에 기인할 수 있는 고유한 불확실성 정도를 나타내기 위해 여기에서 사용된다는 점에 주목해야 한다. "실질적으로" 및 "약"이라는 용어는 또한 정량적 표현이 문제가 되는 주제의 기본 기능에 변화를 초래하지 않으면서 언급된 참고 문헌과 다를 수 있는 정도를 나타내기 위해 여기에서 사용된다.
본 개시의 주제를 상세하게 그리고 그의 특정 실시예를 참조하여 설명했지만, 여기에 개시된 다양한 세부 사항이, 이러한 세부 사항이 여기에 설명된 다양한 실시예의 필수 구성요소인 요소에 관련된다는 것을 암시하는 것으로 간주되어서는 아니되며, 본 설명에 첨부된 각 도면에 특정 요소가 도시된 경우에도 마찬가지라는 점에서 주목해야 한다. 추가로, 첨부된 청구범위에 정의된 실시예를 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 수정 및 변형이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 보다 구체적으로, 여기에서는 본 개시의 일부 측면이 바람직하거나 특히 유리한 것으로 확인되었으나, 본 개시가 반드시 이러한 측면에 제한되는 것은 아닌 것으로 고려된다.
다음 청구범위 중 하나 이상이 전환 문구로서 용어 "여기서"를 활용한다는 점에 주목해야 한다. 본 발명의 기술을 정의할 목적으로, 이 용어는 구조의 일련의 특성을 설명하는데 사용되는 개방형 전환 문구로서 청구범위에 도입되고, 더 일반적으로 사용되는 개방형 서문 용어 "포함하다"로서 유사한 방식으로 해석되어야 한다는 점에 주목해야 한다.
Claims (20)
- A1 입력단 및 A1 출력단을 포함하는 A1 광학 채널;
A2 입력단 및 A2 출력단을 포함하는 A2 광학 채널, 여기서 제1 양자 메모리는 A2 광학 채널에 광학적으로 결합됨;
B1 입력단 및 B1 출력단을 포함하는 B1 광학 채널, 여기서
제2 양자 메모리는 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되며; 그리고
A2 광학 채널 및 B1 광학 채널은 제1 양자 메모리 및 제2 양자 메모리 하류의 공통 광학 채널에서 수렴됨;
공통 광학 채널에 광학적으로 결합된 비선형 사인 게이트; 및
B2 입력단 및 B2 출력단을 포함하는 B2 광학 채널;을 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 1에 있어서,
A2 광학 채널 및 B1 광학 채널은 비선형 사인 게이트 하류의 공통 광학 채널로부터 분기되는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 1에 있어서,
제1 및 제2 양자 메모리와 공통 광학 채널 사이의 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제1 광학 스위치; 및
공통 광학 채널과 A2 출력단 사이의, 그리고 공통 광학 채널과 B1 출력단 사이의 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제2 광학 스위치;를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 3에 있어서,
A2 광학 채널은
A2 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 A2 채널 아암과, 그리고
제2 광학 스위치로부터 A2 출력단까지 연장된 제2 A2 채널 아암을 포함하며; 그리고
B1 광학 채널은
B1 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 B1 채널 아암과, 그리고
제2 광학 스위치로부터 B1 출력단까지 연장된 제2 B1 채널 아암을 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 1에 있어서,
A2 입력단과 제1 양자 메모리 사이의, 그리고 B1 입력단과 제2 양자 메모리 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제1 광학 커플러; 및
비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의, 그리고 비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제2 광학 커플러;를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 1에 있어서,
비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의 A2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제3 양자 메모리;
비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 B1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제4 양자 메모리;
A1 입력단과 A1 출력단 사이의 A1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제5 양자 메모리; 및
B2 입력단과 B2 출력단 사이의 B2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제6 양자 메모리;를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 1에 있어서,
제1 양자 메모리는
양자 상태를 나타내는 광자를 흡수하고, 수신된 광자의 양자 상태를 포함하는 광자를 비선형 사인 게이트를 향해 방출하도록 구성되는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 1에 있어서,
비선형 사인 게이트는:
보조 광자 소스에 광학적으로 결합된 제1 입력단 및 제1 광자 검출기에 광학적으로 결합된 제1 출력단을 포함하는 제1 보조 채널;
제2 입력단 및 제2 출력단을 포함하는 제2 보조 채널, 여기서 제2 출력단은 제2 광자 검출기에 광학적으로 결합됨; 및
보조 광자 소스와 제1 광자 검출기 사이의 공통 광학 채널 및 제1 보조 채널에 광학적으로 결합되는 중앙 광학 커플러;를 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 8에 있어서,
비선형 사인 게이트는:
보조 광자 소스와 중앙 광학 커플러 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제1 보조 광학 커플러; 및
중앙 광학 커플러와 제2 광자 검출기 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제2 보조 광학 커플러;를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 8에 있어서,
보조 광자 소스는 단일 광자 소스를 포함하며, 그리고
제1 광자 검출기 및 제2 광자 검출기 각각은 단일 광자 검출기를 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 1에 있어서,
비선형 사인 게이트는
선형 광학 CZ-게이트에서 오직 단 하나의 비선형 사인 게이트인, 선형 광학 CZ-게이트. - 선형 광학 CZ-게이트를 동작하는 방법에 있어서,
선형 광학 CZ-게이트의 제1 양자 메모리를 사용하여 제1 양자 메모리에 의해 수신된 제1 양자 상태를 흡수하는 단계,
여기서, 선형 광학 CZ-게이트는:
A1 입력단 및 A1 출력단을 포함하는 A1 광학 채널;
A2 입력단 및 A2 출력단을 포함하는 A2 광학 채널, 여기서 제1 양자 메모리는 A2 광학 채널에 광학적으로 결합됨;
B1 입력단 및 B1 출력단을 포함하는 B1 광학 채널, 여기서 제2 양자 메모리는 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되며, 그리고 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널은 제1 양자 메모리 및 제2 양자 메모리 하류의 공통 광학 채널에서 수렴됨;
공통 광학 채널에 광학적으로 결합된 비선형 사인 게이트; 및
B2 입력단 및 B2 출력단을 포함하는 B2 광학 채널;을 더 포함함;
제2 양자 메모리를 사용하여 제2 양자 메모리에 의해 수신된 제2 양자 상태를 흡수하는 단계;
제1 양자 상태를 제1 양자 메모리로부터 비선형 사인 게이트로 방출하는 단계;
제1 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계;
제2 양자 상태를 제2 양자 메모리로부터 비선형 사인 게이트로 방출하는 단계; 및
제2 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계;를 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트 동작 방법. - 청구항 12에 있어서,
A1 양자 상태를 A1 광학 채널의 A1 입력단으로 지향시키는 단계;
A2 양자 상태를 A2 광학 채널의 A2 입력단으로 지향시키는 단계, 여기서 A1 및 A2 양자 상태는 제1 논리 큐비트를 정의함;
B1 양자 상태를 B1 광학 채널의 B1 입력단으로 지향시키는 단계; 및
B2 양자 상태를 B2 광학 채널의 B2 입력단으로 지향시키는 단계, 여기서 B1 및 B2 양자 상태는 제2 논리 큐비트를 정의함;를 더 포함하며,
제1 광학 커플러는 A2 입력단과 제1 양자 메모리 사이의, 그리고 B1 입력단과 제2 양자 메모리 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되고;
제2 광학 커플러는 비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의, 그리고 비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 위치에서 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되고;
제1 양자 상태는 A1-B2 양자 상태 중 하나이며; 그리고
제2 양자 상태는 A1-B2 양자 상태 중 하나인, 선형 광학 CZ-게이트 동작 방법. - 청구항 13에 있어서,
A1 양자 상태가 단일 광자를 포함하고, A2 양자 상태가 제로 광자를 포함할 때, 제1 논리 큐비트는 0-상태에 있고;
A1 양자 상태가 제로 광자를 포함하고, A2 양자 상태가 단일 광자를 포함할 때, 제1 논리 큐비트는 1-상태에 있고;
B1 양자 상태가 단일 광자를 포함하고, B2 양자 상태가 제로 광자를 포함할 때, 제2 논리 큐비트는 1-상태에 있으며; 그리고
B1 양자 상태가 제로 광자를 포함하고, B2 양자 상태가 단일 광자를 포함할 때, 제2 논리 큐비트는 0-상태에 있는, 선형 광학 CZ-게이트 동작 방법. - 청구항 12에 있어서,
제1 양자 상태에 대해 사인 플립 기능을 수행하는 단계는:
비선형 사인 게이트의 보조 광자 소스로부터 비선형 사인 게이트의 제1 보조 채널의 제1 입력단으로 보조 광자를 지향시키는 단계,
비선형 사인 게이트는:
제1 보조 채널의 제1 출력단에 광학적으로 결합된 제1 광자 검출기;
제2 입력단 및 제2 출력단을 포함하는 제2 보조 채널;
제2 출력단에 광학적으로 결합된 제2 광자 검출기;
보조 광자 소스와 제1 광자 검출기 사이의 공통 광학 채널 및 제1 보조 채널에 광학적으로 결합되는 중앙 광학 커플러;
보조 광자 소스와 중앙 광학 커플러 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제1 보조 광학 커플러; 및
중앙 광학 커플러와 제2 광자 검출기 사이의 제1 보조 채널 및 제2 보조 채널에 광학적으로 결합되는 제2 보조 광학 커플러;를 더 포함함;
중앙 광학 커플러에서 제1 양자 상태를 수신하는 단계;
제1 광자 검출기에서 단일 광자를 검출하는 단계; 및
제2 광자 검출기에서 제로 광자를 검출하는 단계;를 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트 동작 방법. - 청구항 12에 있어서,
제1 양자 상태는 제1 양자 메모리로부터, 제1 및 제2 양자 메모리와 공통 광학 채널 사이의 A2 광학 채널 및 B1 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제1 광학 스위치로 지향되고;
제1 광학 스위치는 제1 양자 상태가 비선형 사인 게이트에 도달하고 사인 플립 기능을 겪도록 A2 광학 채널과 공통 광학 채널을 광학적으로 결합시킨 제1 위치에 있으며; 그리고
방법은
제1 광학 스위치를, 제1 위치로부터, B1 광학 채널이 공통 광학 채널에 광학적으로 결합되는 제2 위치로 변화시켜, 제2 양자 상태가 제2 양자 메모리로부터 제1 광학 스위치로 지향되고, 그 후에 제2 양자 상태가 사인 플립 기능을 겪는 비선형 사인 게이트로 지향되도록 하는 단계;를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트 동작 방법. - 청구항 16에 있어서,
제1 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계 후에, 방법은 제1 포스트-게이트 양자 상태를, 비선형 사인 게이트로부터, 제1 위치에 있는 제2 광학 스위치를 통하여, 그리고 제1 포스트-게이트 양자 상태가 흡수되는 제3 양자 메모리로 지향시키는 단계를 더 포함하며; 그리고
제2 양자 상태를 사용하여 비선형 사인 게이트에서 사인 플립 기능을 수행하는 단계 후에, 방법은 제2 포스트-게이트 양자 상태를, 비선형 사인 게이트로부터, 제2 위치에 있는 제2 광학 스위치를 통하여, 그리고 제2 포스트-게이트 양자 상태가 흡수되는 제4 양자 메모리로 지향시키는 단계를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트 동작 방법. - 청구항 17에 있어서,
제5 양자 메모리는 A1 광학 채널에 광학적으로 결합되고,
제6 양자 메모리는 B2 광학 채널에 광학적으로 결합되며, 그리고
방법은:
A1 광학 채널을 횡단하는 양자 상태를 제5 양자 메모리로 흡수하는 단계;
B2 광학 채널을 횡단하는 양자 상태를 제6 양자 메모리로 흡수하는 단계; 및
제3 양자 메모리, 제4 양자 메모리, 제5 양자 메모리, 및 제6 양자 메모리 각각으로부터 양자 상태를 동시에 방출하여, 양자 상태가 A1 출력단, A2 출력단, B1 출력단, 및 B2 출력단 각각에 동시에 도달하도록 하는 단계;를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트 동작 방법. - 선형 광학 CZ-게이트에 있어서,
A1 입력단 및 A1 출력단을 포함하는 A1 광학 채널;
A2 입력단 및 A2 출력단을 포함하는 A2 광학 채널,
여기서: A2 광학 채널은 A2 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 A2 채널 아암과, 그리고 제2 광학 스위치로부터 A2 출력단까지 연장된 제2 A2 채널 아암을 포함하며; 그리고
제1 양자 메모리는 제1 A2 채널 아암에 광학적으로 결합됨;
B1 입력단 및 B1 출력단을 포함하는 B1 광학 채널,
여기서: B1 광학 채널은 B1 입력단으로부터 제1 광학 스위치까지 연장된 제1 B1 채널 아암과, 그리고 제2 광학 스위치로부터 B1 출력단까지 연장된 제2 B1 채널 아암을 포함하고;
제2 양자 메모리는 제1 B1 채널 아암에 광학적으로 결합되며; 그리고
제1 광학 커플러는 제1 및 제2 양자 메모리 상류의 제1 A2 채널 아암 및 제1 B1 채널 아암에 광학적으로 결합됨;
제1 광학 스위치로부터 제2 광학 스위치로 연장된 공통 광학 채널;
공통 광학 채널에 광학적으로 결합된 비선형 사인 게이트; 및
B2 입력단 및 B2 출력단을 포함하는 B2 광학 채널;을 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트. - 청구항 19에 있어서,
비선형 사인 게이트와 A2 출력단 사이의 A2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제3 양자 메모리;
비선형 사인 게이트와 B1 출력단 사이의 B1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제4 양자 메모리;
A1 입력단과 A1 출력단 사이의 A1 광학 채널에 광학적으로 결합된 제5 양자 메모리; 및
B2 입력단과 B2 출력단 사이의 B2 광학 채널에 광학적으로 결합된 제6 양자 메모리;를 더 포함하는, 선형 광학 CZ-게이트.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021126244A RU2021126244A (ru) | 2021-09-07 | Линейный оптический управляемый z-вентиль, содержащий квантовую память | |
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