論文の概要: Scalable Optical Quantum State Synthesizer with Dual-Mode Resonator Memory

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.09033v2
• Date: Mon, 18 Aug 2025 06:10:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-19 14:49:09.807219
• Title: Scalable Optical Quantum State Synthesizer with Dual-Mode Resonator Memory
• Title（参考訳）: デュアルモード共振器メモリを用いたスケーラブル光量子状態合成器
• Authors: Fumiya Hanamura, Kan Takase, Kazuki Hirota, Rajveer Nehra, Florian Lang, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Masahiro Yabuno, Takahiro Kashiwazaki, Asuka Inoue, Takeshi Umeki, Warit Asavanant, Mamoru Endo, Jun-ichi Yoshikawa, Akira Furusawa,
• Abstract要約: 我々は、共振器ベースの量子メモリを用いて、光学的非ガウス状態を生成するスケーラブルな方法を示す。 時間領域多重化手法を用いることで,猫とゴッテマン・キタエフ・プレスキルの育種プロトコルの実証に成功した。 これらの結果は、フォールトトレラント光量子コンピューティングに必要な複雑な非ガウス状態を生成するためのスケーラブルな経路を確立する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9051845653704739
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Optical quantum computing is a promising approach for achieving large-scale quantum computation. While Gaussian operations have been successfully scaled, the inherently weak nonlinearity in optics makes generating highly non-Gaussian states a critical challenge for universality and fault tolerance. Here, we propose and experimentally demonstrate a scalable method to generate optical non-Gaussian states with a resonator-based quantum memory that supports continuous-time storage and retrieval, in contrast to conventional loop-based memories. We introduce a dual-mode operation of the memory, enabling both storage and entangling functionalities within a single device. By employing a time-domain-multiplexed approach, we successfully demonstrate both cat and Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) breeding protocols in a scalable fashion, marking a key step toward quantum error correction. Our experiment also marks the first full demonstration of an optical resonator memory performing writing, storage, and readout operations. We validate the memory by storing squeezed single-photon states with up to 93% total efficiency, and measure an energy relaxation time $T_1 =$2.3$\mu$s and dephasing time $T_{\phi} =$0.96$\mu$s. These results establish a scalable pathway to generating complex non-Gaussian states required for fault-tolerant optical quantum computing. Beyond computation, our techniques provide new tools for enhancing quantum communication, sensing, and metrology.
• Abstract（参考訳）: 光量子コンピューティングは、大規模量子計算を実現するための有望なアプローチである。 ガウス演算はうまくスケールされているが、光学の本質的に弱い非線形性により、非ガウス状態を生成することは普遍性とフォールトトレランスにとって重要な課題である。 本稿では、従来のループベースメモリとは対照的に、連続時間記憶と検索をサポートする共振器ベースの量子メモリを用いて、光非ガウス状態を生成するスケーラブルな方法を提案し、実験的に実証する。 メモリの二重モード操作を導入し、単一のデバイス内でのストレージとエンタングリングの両方の機能を実現する。 時間領域多重化手法を用いることで、キャットとゴッテマン・キタエフ・プレスキル(GKP)の育種プロトコルをスケーラブルな方法で実証し、量子エラー訂正に向けた重要なステップを示す。 また、本実験は、書き込み、記憶、読み出し操作を行う光共振器メモリの完全な実演も行った。 我々は、圧縮された単光子状態を最大93%の効率で保存し、エネルギー緩和時間を$T_1 =$2.3$\mu$sとし、劣化時間を$T_{\phi} =$0.96$\mu$sとすることで、メモリを検証する。 これらの結果は、フォールトトレラント光量子コンピューティングに必要な複雑な非ガウス状態を生成するためのスケーラブルな経路を確立する。 計算以外にも、我々の技術は量子通信、センシング、および気象学を強化するための新しいツールを提供する。

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