Microfabricated Ion-Cavity nodes for Robust, Optically-Networked Quantum Computing (MICRON-QC)

用于鲁棒光网络量子计算的微加工离子腔节点 (MICRON-QC)

基本信息

  • 批准号:
    EP/Y026438/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 268.81万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2023 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Quantum computing is poised to transform the way we tackle humanity's hardest computational problems, but despite recent progress in qubit control and error-correcting code design, no qubit platform has convincingly demonstrated a route to free scalability. Of all platforms, trapped ions retain the record for high-fidelity qubit operations, and enable highly-connected architectures, greatly reducing gate-count for large devices. However, scaling of qubit numbers on a single, monolithic processor is expected to hit a ceiling far below that required for useful fault-tolerant computation, and the ultimate route to scalability lies in distributing the quantum computer across a network of smaller processors.This project will construct and operate the first reconfigurable network of trapped ion processors linked by single photons emitted over fibre interconnects, ultimately consisting of 5 nodes. I will demonstrate all the elements required for efficient large-scale networked computation including: a flying qubit encoding and wavelength suitable for high-fidelity long-range transmission; a reconfigurable photonic network enabling any-to-any node connectivity and entanglement of multiple node-pairs in parallel; and sufficient qubit resource within each node to permit the assembly of arbitrary entangled graph states across the network. I will construct cavity-based network interfaces at each node capable of near-deterministic ion-photon entanglement at 1MHz attempt rates, allowing remote ion-ion entanglement creation at 100kHz rates, close to those of local gates. Through a combination of informed protocol design and advanced microsystem engineering, I will demonstrate that this can be achieved with nodes of remarkably simple and robust construction, enabling near-autonomous operation. While the 5-node network will enable many fascinating experiments, the principal objective of the project will be to prove that a network of hundreds or thousands of nodes is within reach.
量子计算有望改变我们解决人类最困难的计算问题的方式,但尽管最近在量子位控制和纠错代码设计方面取得了进展,但还没有量子位平台令人信服地展示了自由可扩展性的途径。在所有平台中,捕获离子保留了高保真量子位操作的记录,并实现了高度连接的架构,从而大大减少了大型设备的门数。然而,单个单片处理器上量子比特数量的扩展预计将达到远远低于有用的容错计算所需的上限,而实现可扩展性的最终途径在于将量子计算机分布在较小处理器的网络上。该项目将构建并运行第一个可重新配置的捕获离子处理器网络,该网络由通过光纤互连发射的单光子连接,最终由 5 个节点组成。我将演示高效的大规模网络计算所需的所有元素,包括:适合高保真长距离传输的飞行量子位编码和波长;可重新配置的光子网络,可实现任意节点之间的连接以及多个节点对的并行纠缠;每个节点内有足够的量子比特资源,以允许在网络上组装任意纠缠图状态。我将在每个节点构建基于空腔的网络接口,能够以 1MHz 的尝试速率进行近确定性的离子-光子纠缠,从而允许以 100kHz 的速率创建远程离子-离子纠缠,接近本地门的速率。通过结合知情的协议设计和先进的微系统工程,我将证明这可以通过结构非常简单和稳健的节点来实现,从而实现近乎自主的操作。虽然 5 节点网络将实现许多令人着迷的实验,但该项目的主要目标将是证明数百或数千个节点的网络是可以实现的。

项目成果

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  • 通讯作者:
    F. Hu

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