Experimental realization of an interferometric quantum circuit to increase the computational depth

Ein Quantencomputer bietet Anwendungsmöglichkeiten über das Feld der Physik hinaus. In dieser Arbeit beschreiben wir ein Konzept und realisieren fehlende Bestandteile eines universellen Zwei-Qubit-Quantencomputers mit den Möglichkeiten von linearer Optik und Photonen als Qubits. Hierzu vergleichen wir verschiedene existierende Realisierungen von Zwei-Qubit-Gattern und untersuchen die Möglichkeit mehrere davon hintereinander zu setzen. Wir betrachten die experimentellen Schwierigkeiten und argumentieren unsere Wahl. Gleichzeitig suchen wir nach Wegen, wie die benötigten Resourcen auf der Quanten-Seite minimiert werden können, ohne dadurch die Universalität des Ansatzes zu beeinträchtigen. Aufbauend auf der bestehenden Infrastruktur in unserem Labor vervollständigen wir die Liste der notwendigen Bauteile und führen eine umfassende Analyse dieser durch. Insbesondere machen wir eine Prozess-Tomografie eines Controlled-NOT Gatters. Im Anschluss daran eröffnen wir Anwendungen, die sich mit diesem Quantencomputer bewerkstelligen lassen. Im Rahmen von „Quantum Computation“ beschreiben wir eine minimale Implementierung des Algorithmus zur Lösung von linearen Gleichungssystemen. Auf dem Gebiet der Simulation zeigen wir, wie der Quantencomputer dazu verwendet werden kann das Zwei-Qubit Heisenberg XY Model bei Vorhandensein eines transversalen Feldes zu simulieren. Dies ermöglicht es den Grundzustand und die angeregeten Zustände zu präparieren, aber auch Superpositionen dieser und thermische Zustände. Außerdem können die Systemparameter allein durch Ein-Qubit-Gatter kontrolliert werden.A quantum computer is a versatile tool whose applications extend beyond the field of physics. In this work we describe a scheme and realize missing building blocks of a universal two-qubit quantum computer within the framework of linear optics and photonic qubits. To this end we compare several existing two-qubit gate architectures and examine their suitability for concatenation. We discuss experimental challenges and motivate the reasons for our choice. Simultaneously, we find methods to minimize the required resources on the quantum part without compromising the universality of the approach. Elaborating on existing infrastructure in our lab, we complete the list of required components and perform extensive characterization thereof. In particular a quantum process tomography of a Controlled-NOT gate is shown. Furthermore we present applications that can be realized with our setup. To the prospect of quantum computation we outline a minimal implementation of the algorithm for solving systems of linear equations. On the simulation side, we explain how to use our quantum computer to simulate a two-qubit Heisenberg XY model in a transverse field. The quantum simulator allows to prepare ground and excited states as well as superpositions and thermal states. Moreover, the system parameters are controllable by single-qubit operations only

A two-qubit photonic quantum processor and its application to solving systems of linear equations

Large-scale quantum computers will require the ability to apply long sequences of entangling gates to many qubits. In a photonic architecture, where single-qubit gates can be performed easily and precisely, the application of consecutive two-qubit entangling gates has been a significant obstacle. Here, we demonstrate a two-qubit photonic quantum processor that implements two consecutive CNOT gates on the same pair of polarisation-encoded qubits. To demonstrate the flexibility of our system, we implement various instances of the quantum algorithm for solving of systems of linear equations

Linear-Optical Generation of Eigenstates of the Two-Site XY Model

Much of the anticipation accompanying the development of a quantum computer relates to its application to simulating dynamics of another quantum system of interest. Here, we study the building blocks for simulating quantum spin systems with linear optics. We experimentally generate the eigenstates of the XY Hamiltonian under an external magnetic field. The implemented quantum circuit consists of two cnot gates, which are realized experimentally by harnessing entanglement from a photon source and applying a cphase gate. We tune the ratio of coupling constants and the magnetic field by changing local parameters. This implementation of the XY model using linear quantum optics might open the door to future studies of quenching dynamics using linear optics

Quantum discord as resource for remote state preparation

10.1038/nphys2377Nature Physics89666-67