بهینه سازی گراف-نظری تولید حالت گراف مبتنی بر همجوشی

بهینه سازی گراف-نظری تولید حالت گراف مبتنی بر همجوشی

سوک-هیونگ لی1,2 و هیونسوک جونگ1

1گروه فیزیک و ستاره شناسی، دانشگاه ملی سئول، سئول 08826، جمهوری کره
2مرکز سیستم های کوانتومی مهندسی شده، دانشکده فیزیک، دانشگاه سیدنی، سیدنی، NSW 2006، استرالیا

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

حالت های نمودار منابع همه کاره برای کارهای مختلف پردازش اطلاعات کوانتومی، از جمله محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه گیری و تکرار کننده های کوانتومی هستند. اگرچه گیت فیوژن نوع II با ترکیب حالت‌های گراف کوچک، تولید تمام نوری حالت‌های گراف را امکان‌پذیر می‌سازد، ماهیت غیر قطعی آن مانع از تولید کارآمد حالت‌های نمودار بزرگ می‌شود. در این کار، ما یک استراتژی تئوری گراف را برای بهینه‌سازی موثر تولید مبتنی بر همجوشی از هر وضعیت نموداری به همراه یک بسته Python OptGraphState ارائه می‌کنیم. استراتژی ما شامل سه مرحله است: ساده کردن حالت گراف هدف، ساختن یک شبکه همجوشی، و تعیین ترتیب فیوژن ها. با استفاده از این روش پیشنهادی، سربار منابع نمودارهای تصادفی و نمودارهای مختلف شناخته شده را ارزیابی می‌کنیم. علاوه بر این، ما احتمال موفقیت تولید حالت گراف را با توجه به تعداد محدودی از حالت‌های منابع موجود بررسی می‌کنیم. ما انتظار داریم که استراتژی و نرم افزار ما به محققان در توسعه و ارزیابی طرح های تجربی قابل دوام که از حالت های نمودار فوتونیک استفاده می کنند، کمک کند.

حالت‌های نمودار، که حالت‌های کوانتومی هستند که در آن کیوبیت‌ها به روشی که توسط ساختار گراف دستور داده می‌شود، درهم می‌روند، حالت‌های منابع همه کاره برای محاسبات و ارتباطات کوانتومی هستند. به طور خاص، حالت‌های نمودار در سیستم‌های فوتونیک را می‌توان برای محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری و محاسبات کوانتومی مبتنی بر همجوشی، که نامزدهای امیدوارکننده‌ای برای محاسبات کوانتومی متحمل به خطا در کوتاه‌مدت هستند، استفاده کرد. در این کار، ما روشی را برای ایجاد حالت‌های گراف فوتونیک دلخواه از حالت‌های منبع اولیه سه فوتونی پیشنهاد می‌کنیم. این امر از طریق یک سری عملیات "همجوشی" به دست می آید، که در آن حالت های نمودار کوچکتر به طور احتمالی با اندازه گیری فوتون های خاص در حالت های بزرگتر ادغام می شوند. هسته استراتژی ما یک چارچوب نظری گراف است که برای به حداقل رساندن منابع مورد نیاز این فرآیند، افزایش کارایی و امکان سنجی طراحی شده است.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] M. Hein، W. Dür، J. Eisert، R. Raussendorf، M. Van den Nest، و H.-J. بریگل. "درهم تنیدگی در حالات گراف و کاربردهای آن". در کامپیوترهای کوانتومی، الگوریتم ها و آشوب. صفحات 115-218. IOS Press (2006).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0602096
arXiv:quant-ph/0602096

[2] رابرت راوسندورف و هانس جی بریگل. یک کامپیوتر کوانتومی یک طرفه فیزیک کشیش لِت 86، 5188-5191 (2001).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.86.5188

[3] رابرت راوسندورف، دانیل ای. براون، و هانس جی. بریگل. "محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه گیری بر روی حالت های خوشه". فیزیک Rev. A 68, 022312 (2003).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.68.022312

[4] R. Raussendorf، J. Harrington و K. Goyal. یک کامپیوتر کوانتومی یک طرفه مقاوم در برابر خطا ان فیزیک 321, 2242-2270 (2006).
https://doi.org/​10.1016/​j.aop.2006.01.012

[5] R. Raussendorf، J. Harrington و K. Goyal. "تحمل خطا توپولوژیکی در محاسبات کوانتومی حالت خوشه ای". جدید جی. فیزیک. 9, 199 (2007).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​9/​6/​199

[6] سارا بارتولوچی، پاتریک بیرچال، هکتور بومبین، هوگو کیبل، کریس داوسون، مرسدس گیمنو سگویا، اریک جانستون، کنراد کیلینگ، نائومی نیکرسون، میهیر پنت، و همکاران. محاسبات کوانتومی مبتنی بر فیوژن نات اشتراک. 14, 912 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-36493-1

[7] D. Schlingemann و RF Werner. «کدهای تصحیح خطای کوانتومی مرتبط با نمودارها». فیزیک Rev. A 65, 012308 (2001).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.65.012308

[8] A. Pirker، J. Wallnöfer، HJ Briegel، و W. Dür. "ساخت منابع بهینه برای پروتکل های کوانتومی الحاقی". فیزیک Rev. A 95, 062332 (2017).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.95.062332

[9] دامیان مارکهام و بری سی سندرز. "وضعیت های نمودار برای به اشتراک گذاری راز کوانتومی". فیزیک Rev. A 78, 042309 (2008).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.78.042309

[10] BA Bell، Damian Markham، DA Herrera-Martí، Anne Marin، WJ Wadsworth، JG Rarity و MS Tame. نمایش تجربی اشتراک راز کوانتومی حالت گراف. نات اشتراک. 5, 5480 (2014).
https://doi.org/10.1038/ncomms6480

[11] M. Zwerger، W. Dür و H. J. Briegel. تکرار کننده های کوانتومی مبتنی بر اندازه گیری فیزیک Rev. A 85, 062326 (2012).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.85.062326

[12] M. Zwerger، H. J. Briegel و W. Dür. "آستانه های خطای جهانی و بهینه برای خالص سازی درهم تنیدگی مبتنی بر اندازه گیری". فیزیک کشیش لِت 110, 260503 (2013).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.260503

[13] کوجی آزوما، کیوشی تاماکی و هوی کوانگ لو. تکرار کننده های کوانتومی تمام فوتونیک. نات اشتراک. 6, 6787 (2015).
https://doi.org/10.1038/ncomms7787

[14] J. Wallnöfer، M. Zwerger، C. Muschik، N. Sangouard و W. Dür. تکرار کننده های کوانتومی دو بعدی فیزیک Rev. A 94, 052307 (2016).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.052307

[15] ناتان شتل و دامیان مارکهام. "حالت های نمودار به عنوان منبعی برای اندازه گیری کوانتومی". فیزیک کشیش لِت 124, 110502 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.124.110502

[16] مایکل ای. نیلسن. محاسبات کوانتومی نوری با استفاده از حالت های خوشه ای فیزیک کشیش لِت 93, 040503 (2004).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.93.040503

[17] دانیل ای براون و تری رودولف. "محاسبات کوانتومی نوری خطی با منابع کارآمد". فیزیک کشیش لِت 95, 010501 (2005).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.95.010501

[18] جرمی سی. ادکاک، سم مورلی شورت، جاشوا دبلیو. سیلوراستون و مارک جی. تامپسون. "محدودیت های سخت در پسانتخاب پذیری حالت های گراف نوری". علوم کوانتومی تکنولوژی 4, 015010 (2018).
https://doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aae950

[19] هولگر اف. هافمن و شیگکی تاکوچی. "دروازه فاز کوانتومی برای کیوبیت های فوتونی با استفاده از تقسیم کننده های پرتو و پس انتخاب". فیزیک Rev. A 66, 024308 (2002).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.66.024308

[20] TC Ralph، NK Langford، TB Bell، و AG White. "دریچه خطی کنترل شده نوری بر اساس تصادف". فیزیک Rev. A 65, 062324 (2002).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.65.062324

[21] یینگ لی، پیتر سی. هامفریس، گابریل جی. مندوزا، و سایمون سی. بنجامین. "هزینه های منابع برای محاسبات کوانتومی نوری خطی مقاوم به خطا". فیزیک Rev. X 5, 041007 (2015).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevX.5.041007

[22] ساموئل ال. برانشتاین و آ. مان. "اندازه گیری اپراتور بل و تله پورت کوانتومی". فیزیک Rev. A 51, R1727–R1730 (1995).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.51.R1727

[23] WP Grice. "اندازه گیری حالت زنگ به طور دلخواه کامل با استفاده از عناصر نوری خطی". فیزیک Rev. A 84, 042331 (2011).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.84.042331

[24] فابیان اورت و پیتر ون لوک. «اندازه‌گیری زنگ کارآمد 3/4 دلار با اپتیک خطی غیرفعال و حلقه‌های درهم‌تنیده». فیزیک کشیش لِت 113, 140403 (2014).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.113.140403

[25] سونگ وو لی، کیمین پارک، تیموتی سی رالف، و هیونسئوک جونگ. "اندازه گیری بل تقریبا قطعی با درهم تنیدگی چند فوتونی برای پردازش کارآمد اطلاعات کوانتومی". فیزیک Rev. A 92, 052324 (2015).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.92.052324

[26] سونگ وو لی، تیموتی سی رالف، و هیونسئوک جونگ. "ساختمان اساسی برای شبکه های کوانتومی مقیاس پذیر تمام نوری". فیزیک Rev. A 100, 052303 (2019).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.100.052303

[27] کیسوکه فوجی و یوکی توکوناگا. محاسبات کوانتومی یک طرفه توپولوژیک تحمل خطا با گیت های احتمالی دو کیوبیتی. فیزیک کشیش لِت 105, 250503 (2010).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.105.250503

[28] یینگ لی، شان دی. بارت، توماس ام. استیس و سایمون سی. بنجامین. محاسبات کوانتومی متحمل خطا با گیت های غیر قطعی فیزیک کشیش لِت 105, 250502 (2010).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.105.250502

[29] اچ. جونگ، ام اس کیم، و جین هیونگ لی. "پردازش اطلاعات کوانتومی برای یک حالت برهم نهی منسجم از طریق یک کانال منسجم مختلط". فیزیک Rev. A 64, 052308 (2001).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.052308

[30] H. Jeong و MS Kim. "محاسبات کوانتومی کارآمد با استفاده از حالت های منسجم". فیزیک Rev. A 65, 042305 (2002).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.65.042305

[31] سریکریشنا اومکار، یونگ سیاه تئو و هیونسئوک جونگ. محاسبات کوانتومی متحمل به خطا توپولوژیکی کارآمد با درهم تنیدگی هیبریدی نور. فیزیک کشیش لِت 125, 060501 (2020).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.125.060501

[32] سریکریشنا اومکار، وای اس تئو، سونگ وو لی و هیونسئوک جونگ. محاسبات کوانتومی بسیار مقاوم در برابر اتلاف فوتون با استفاده از کیوبیت‌های ترکیبی. فیزیک Rev. A 103, 032602 (2021).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.103.032602

[33] شونتارو تاکدا، تاکاهیرو میزوتا، ماریا فووا، پیتر ون لوک و آکیرا فوروساوا. "تلپورت کوانتومی قطعی بیت های کوانتومی فوتونیک با تکنیک ترکیبی". Nature 500, 315-318 (2013).
https://doi.org/​10.1038/​nature12366

[34] حسین ا. زیدی و پیتر ون لوک. "غلبه بر یک دوم حد از اندازه گیری های زنگ اپتیک خطی بدون حاشیه". فیزیک کشیش لِت 110, 260501 (2013).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.260501

[35] سوک-هیونگ لی، سریکریشنا اومکار، یونگ سیاه تئو و هیونسئوک جونگ. محاسبات کوانتومی مبتنی بر رمزگذاری برابری با ردیابی خطای بیزی. npj Quantum Inf. 9، 39 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-023-00705-9

[36] جرالد گیلبرت، مایکل همریک و یاکوف اس. واینستین. "ساخت کارآمد خوشه های کوانتومی محاسباتی فوتونیک". فیزیک Rev. A 73, 064303 (2006).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.73.064303

[37] کنراد کیلینگ، دیوید گراس و ینس آیسرت. حداقل منابع برای محاسبات یک طرفه نوری خطی ج. انتخاب Soc. صبح. B 24, 184-188 (2007).
https://doi.org/​10.1364/​JOSAB.24.000184

[38] Maarten Van den Nest، Jeroen Dehaene و Bart De Moor. "توضیح گرافیکی عمل تبدیل های کلیفورد محلی بر روی حالت های نمودار". فیزیک Rev. A 69, 022316 (2004).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.69.022316

[39] سریکریشنا اومکار، سوک هیونگ لی، یونگ سیاه تئو، سونگ وو لی و هیونسئوک جونگ. "معماری تمام فوتونیک برای محاسبات کوانتومی مقیاس پذیر با حالت های گرین برگر-هورن-زیلینگر". PRX Quantum 3, 030309 (2022).
https://doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.3.030309

[40] مایکل وارناوا، دنیل ای. براون و تری رودولف. "تحمل اتلاف در محاسبات کوانتومی یک طرفه از طریق تصحیح خطای خلاف واقع". فیزیک کشیش لِت 97, 120501 (2006).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.97.120501

[41] N. Lütkenhaus، J. Calsamiglia، و K.-A. سومینن. "اندازه گیری زنگ برای دوربری". فیزیک Rev. A 59, 3295–3300 (1999).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.59.3295

[42] مایکل وارناوا، دنیل ای. براون و تری رودولف. منابع و آشکارسازهای تک فوتونی چقدر باید برای محاسبات کوانتومی نوری خطی کارآمد باشند؟ فیزیک کشیش لِت 100, 060502 (2008).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.100.060502

[43] C. Schön، E. Solano، F. Verstraete، JI Cirac، و MM Wolf. "تولید متوالی حالات چند کیوبیتی درهم". فیزیک کشیش لِت 95, 110503 (2005).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.95.110503

[44] Netanel H. Lindner و Terry Rudolph. "پیشنهاد برای منابع پالسی رشته های حالت خوشه فوتونیک". فیزیک کشیش لِت 103, 113602 (2009).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.103.113602

[45] I. Schwartz، D. Cogan، ER Schmidgall، Y. Don، L. Gantz، O. Kenneth، NH Lindner و D. Gershoni. "تولید قطعی حالت خوشه ای فوتون های درهم تنیده". Science 354, 434-437 (2016).
https://doi.org/​10.1126/​science.aah4758

[46] شونتارو تاکدا، کان تاکاسه و آکیرا فوروساوا. "سنتی سایزر درهم تنیدگی فوتونیکی بر اساس تقاضا". Science Advances 5, eaaw4530 (2019).
https://doi.org/​10.1126/​sciadv.aaw4530

[47] فیلیپ توماس، لئوناردو روسیو، اولیویه مورین و گرهارد رمپه. "تولید کارآمد حالت های گراف چند فوتونی درهم تنیده از یک اتم". Nature 608, 677–681 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04987-5

[48] جان دبلیو مون و لئو موزر. "در مورد دسته ها در نمودارها". اسر. جی. ریاضی. 3، 23-28 (1965).
https://doi.org/​10.1007/​BF02760024

[49] یوجین L. Lawler، Jan Karel Lenstra، و AHG Rinnooy Kan "تولید تمام مجموعه های مستقل حداکثر: NP-سختی و الگوریتم های زمان چند جمله ای". SIAM J. Comput. 9, 558-565 (1980).
https://doi.org/​10.1137/​0209042

[50] شوجی تسوکیاما، میکیو آیده، هیرومو آریوشی و ایسائو شیراکاوا. "الگوریتمی جدید برای تولید تمام مجموعه های مستقل حداکثر". SIAM J. Comput. 6, 505-517 (1977).
https://doi.org/​10.1137/​0206036

[51] گابور چساردی و تاماس نپوز. بسته نرم افزاری igraph برای تحقیقات شبکه پیچیده. سیستم های پیچیده اینترژورنال، 1695 (2006). آدرس اینترنتی: https://igraph.org.
https://igraph.org

[52] دیوید اپشتاین، مارتن لوفلر و دارن استراش. "لیست کردن تمام دسته های حداکثر در نمودارهای پراکنده در زمان تقریباً بهینه". در سمپوزیوم بین المللی الگوریتم ها و محاسبات. صفحات 403-414. اسپرینگر (2010).
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1006.5440

[53] آریک آ. هاگبرگ، دانیل آ. شولت و پیتر جی. سوارت. "کاوش در ساختار، دینامیک و عملکرد شبکه با استفاده از NetworkX". در Gäel Varoquaux، Travis Vaught، و Jarrod Millman، ویراستاران، مجموعه مقالات هفتمین کنفرانس پایتون در علم (SciPy7). صفحات 2008-11. پاسادنا، کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا (15). آدرس اینترنتی: https://www.osti.gov/​biblio/​2008.
https://www.osti.gov/​biblio/​960616

[54] زوی گلیل. "الگوریتم های کارآمد برای یافتن حداکثر تطابق در نمودارها". کامپیوتر ACM. Surv. 18، 23-38 (1986).
https://doi.org/​10.1145/​6462.6502

[55] پل اردوس و آلفرد رنی. "در نمودارهای تصادفی I". Publicationes mathematicae 6, 290-297 (1959).
https://doi.org/​10.5486/​PMD.1959.6.3-4.12

[56] TC Ralph، AJF Hayes، و Alexei Gilchrist. "کیوبیت های نوری مقاوم در برابر اتلاف". فیزیک کشیش لِت 95, 100501 (2005).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.95.100501

[57] شان دی. بارت و توماس ام. استیس. "محاسبات کوانتومی متحمل خطا با آستانه بسیار بالا برای خطاهای از دست دادن". فیزیک کشیش لِت 105, 200502 (2010).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.105.200502

[58] جیمز ام. اوگر، حسین انور، مرسدس گیمنو-سگویا، توماس ام. استیس، و دن ای. براون. "محاسبات کوانتومی متحمل خطا با دروازه های درهم تنیده غیر قطعی". فیزیک Rev. A 97, 030301 (2018).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.97.030301

[59] GB Arfken، HJ Weber، و FE Harris. "روش های ریاضی برای فیزیکدانان: راهنمای جامع". علم الزویر. (2011). آدرس اینترنتی: https://books.google.co.kr/​books?id=JOpHkJF-qcwC.
https://books.google.co.kr/​books?id=JOpHkJF-qcwC

[60] Maarten Van den Nest، Jeroen Dehaene و Bart De Moor. "الگوریتم کارآمد برای تشخیص هم ارزی کلیفورد محلی حالت های نمودار". فیزیک Rev. A 70, 034302 (2004).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.70.034302

[61] اکسل دالبرگ و استفانی ونر. "تبدیل حالات نمودار با استفاده از عملیات تک کیوبیت". فیلوس تی روی. Soc. A 376, 20170325 (2018).
https://doi.org/​10.1098/​rsta.2017.0325

[62] M. Hein، J. Eisert، و H. J. Briegel. "درهم تنیدگی چند جانبه در حالات نمودار". فیزیک Rev. A 69, 062311 (2004).
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.69.062311

ذکر شده توسط

[1] برندان پانکوویچ، الکس نویل، آنگوس کان، سریکریشنا اومکار، کواک هو وان و کمیل بردلر، "تولید حالت درهم تنیده انعطاف پذیر در اپتیک خطی". arXiv: 2310.06832, (2023).

نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-12-20 14:43:35). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.

واکشی نشد داده های استناد شده متقاطع در آخرین تلاش 2023-12-20 14:43:34: داده های استناد شده برای 10.22331/q-2023-12-20-1212 از Crossref دریافت نشد. اگر DOI اخیراً ثبت شده باشد، طبیعی است.

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی