Промежуточные квантовые вычисления

Фотонами можно легко и точно манипулировать
на уровне одного кубита-можно построить очень высокоточные
однокубитовые ворота

1

Из-за превосходного оптического

Управление режимом

252

.

Первоначально особое внимание было уделено
элементу контролируемого НЕ (CNOT) для завершения
универсального набора элементов в модели квантовой схемы.

Теория-

Ical предложения для недетерминированных ворот CNOT

259

,

260

За ними быстро последовали экспериментальные демонстрации CNOT,демонстрирующие базовую концепцию нелинейности, индуцированной измерениями KLM

261

,

262

И характеристика-

Тионс

263

,

264

Они были расширены, чтобы включить в себя

KLM-стиль

265

И телепортация

266

-на основе

39

Схемы

267

Ряд
алгоритмов доказательства принципа последовал за
ранними демонстрациями фотонных ворот

6

.

Хотя использование
CNOTs для построения произвольных унитарных схем, конечно, является
рабочим теоретическим методом, он далек от оптимального. Это
связано с тем, что, например, декомпозиция
трехбит - ворот, таких как ворота Тоффоли, на одно-и
двухбит-операции может потребовать большого числа таких
ворот

268

Альтернативой может быть поиск способов
реализации гейтов, которые могут напрямую работать с большим количеством
кубитов.

Интересный и важный класс произвольного масштаба

9

Четверть - и полуволновая пластина

Полуволновая пластина

Фиксатор фазы

Призма

Волоконный соединитель/пусковая установка

И одномодовое волокно

Детектор одиночных фотонов

Зеркало

Объектив

Волоконная поляриза � вкл

Контроллер

Поляризационный пучок/

Неполяризующий пучок

Поляризационный пучок

Вытеснитель кальцитового пучка

С

LBO

BBO

BBO

T1

Т2

Спусковой крючок

R

B

Р

Г

B

Y

G

Y

РИС. 3.

Оптический квантовый Фредкин. Перепечатано с разрешения Patel et al., Sci. Adv. 2, e1501531 (2016). Авторское
право 2016 Автор(ы), лицензированный под некоммерческой лицензией Creative Commons Attribution 4.0. Ворота Fredkin (или
controlledSWAP) используют метод добавления управления к произвольной операции untiary. Запутанные фотоны производятся в кристаллах BBO
(бета-бората бария) с помощью SPDC. Управляющий кубит кодируется в режимах 1B и 1R, цель 1 кодируется в режимах
2R и 2B, а цель 2 кодируется в режимах 1G и 1Y. Схема управления состоит из поляризационного вытеснителя пучка
интерферометр. Путевое запутанное состояние, необходимое для операции Фредкина, возникает после того, как каждый целевой фотон попадает в
смещенный интерферометр Саньяка и информация о пути стирается на неполяризационном светоделителе. Четвертьволновые
и полуволновые пластины кодируют входное состояние целевых кубитов. Об успешной работе сигнализирует четырехкратное совпадение
событий между управляющим, целевым и триггерным детекторами. См. [

258

] подробнее.

квантовая логика-это семейство управляемых унитарных (CU)
элементов. В них унитарная операция (возможно, состоящая из нескольких кубитов)
действует или нет-в зависимости от состояния управляющего
кубита—на целевые кубиты. Вентили CU важны в
различных вычислительных задачах, например
в алгоритме оценки фазы, лежащем в основе алгоритма Шора

244

,

245

И в квантовой химии

269

,

270

Ключевое понимание состоит
в том, что реализация одной только унитарной операции U может быть
возможной или даже легкой, но добавление операции управления—
то есть условного действия—затруднительно.

Общая схема добавления операции управления к
произвольному унитарному преобразованию была предложена в
2009 году (См. [

271

]). В этом методе, учитывая
управляемую унитарность, размерность гильбертова пространства
входящих целевых кубитов сначала удваивается с помощью некоторой
вспомогательной степени свободы соответствующих фотонов.
Половина мод каждого целевого кубита проходит через
унитарный, в то время как остальная половина обходит его. Затем состояние
управляющего кубита используется для маршрутизации целевых кубитов
либо для прохождения унитарного, либо для обхода его через
соответствующие режимы. После этого моды рекомбинируются, так
что гильбертово пространство сжимается до своей первоначальной
размерности. Это эффективно создает ворота CU. (Схема может
можно упростить еще больше, заменив
расширяющиеся ворота Гильбертова пространства источниками фотонов, которые генерируют
запутанность во вспомогательной степени свободы. Термин
“основанный на запутывании” обычно используется в литературе для
описания этих типов вентилей, которые не являются полностью
общими из-за необходимости генерировать начальную
запутанность, но могут быть полезны на входах схемы.) Этот общий
метод особенно подходит для оптических квантовых
вычислений, поскольку системы с высокой размерностью, множественными
степенями свободы и средствами передачи информации
между ними легко доступны. Более того, -

исследования ical также показали что добавление управления к
произвольным унитарным элементам как правило невозможно для
кубитов на основе материи

272

,

273

, таким образом, метод демонстрирует преимущество