論文の概要: Generation of frequency-bin-encoded dual-rail cluster states via time-frequency multiplexing of microwave photonic qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.10990v1
• Date: Thu, 14 Aug 2025 18:00:13 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-18 14:51:23.631716
• Title: Generation of frequency-bin-encoded dual-rail cluster states via time-frequency multiplexing of microwave photonic qubits
• Title（参考訳）: マイクロ波フォトニック量子ビットの時間-周波数多重化による周波数ビン符号化デュアルレールクラスター状態の生成
• Authors: Zhiling Wang, Takeaki Miyamura, Yoshiki Sunada, Keika Sunada, Jesper Ilves, Kohei Matsuura, Yasunobu Nakamura,
• Abstract要約: クラスタ状態は、量子メートル法やワンウェイ量子コンピューティングのような幅広い応用を持つマルチキュービットの絡み合った状態である。 超伝導回路を用いて、周波数ビン符号化されたデュアルレールクラスタ状態を生成するプロトコルを提案する。 我々は、異なる周波数の共伝搬マイクロ波光子を順次出力することで、時間周波数多重化を実現する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.3238173494583614
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Cluster states are a class of multi-qubit entangled states with broad applications such as quantum metrology and one-way quantum computing. Here, we present a protocol to generate frequency-bin-encoded dual-rail cluster states using a superconducting circuit consisting of a fixed-frequency transmon qubit, a resonator and a Purcell filter. We implement time-frequency multiplexing by sequentially emitting co-propagating microwave photons of distinct frequencies. The frequency-bin dual-rail encoding enables erasure detection based on photon occupancy. We characterize the state fidelity using quantum tomography and quantify the multipartite entanglement using the metric of localizable entanglement. Our implementation achieves a state fidelity exceeding 50$\%$ for a cluster state consisting of up to four logical qubits. The localizable entanglement remains across chains of up to seven logical qubits. After discarding the erasure errors, the fidelity exceeds 50% for states with up to eight logical qubits, and the entanglement persists across chains of up to eleven qubits. These results highlight the improved robustness of frequency-bin dual-rail encoding against photon loss compared to conventional single-rail schemes. This work provides a scalable pathway toward high-dimensional entangled state generation and photonic quantum information processing in the microwave domain.
• Abstract（参考訳）: クラスタ状態(Cluster state)は、量子メトロジーやワンウェイ量子コンピューティングなどの幅広い応用を持つ、マルチキュービットの絡み合った状態のクラスである。 本稿では、固定周波数トランスモン量子ビット、共振器、パーセルフィルタからなる超伝導回路を用いて、周波数ビン符号化デュアルレールクラスタ状態を生成するプロトコルを提案する。 我々は、異なる周波数の共伝搬マイクロ波光子を順次出力することで、時間周波数多重化を実現する。 周波数ビンデュアルレール符号化は、光子占有量に基づく消去検出を可能にする。 我々は、量子トモグラフィーを用いて状態の忠実度を特徴づけ、ローカライズ可能なエンタングルメントの計量を用いてマルチパーティントエンタングルメントを定量化する。 本実装では,最大4つの論理量子ビットからなるクラスタ状態に対して,50$\%以上の状態忠実度を実現する。 局所化可能な絡み合いは、最大7つの論理量子ビットの鎖にまたがる。 消去エラーを破棄した後、その忠実度は最大8個の論理量子ビットを持つ状態に対して50%を超え、絡み合いは最大11個の量子ビットの鎖にまたがって持続する。 これらの結果は、従来の単線方式と比較して、光子損失に対する周波数ビン双線符号化の堅牢性の向上を浮き彫りにした。 この研究は、マイクロ波領域における高次元の絡み合った状態生成とフォトニック量子情報処理へのスケーラブルな経路を提供する。

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