We describe a generalization of the cluster-state model of quantum computation to continuous-variable systems, along with a proposal for an optical implementation using squeezed-light sources, linear optics, and homodyne detection. For universal quantum computation, a nonlinear element is required. This can be satisfied by adding to the toolbox any single-mode non-Gaussian measurement, while the initial cluster state itself remains Gaussian. Homodyne detection alone suffices to perform an arbitrary multimode Gaussian transformation via the cluster state. We also propose an experiment to demonstrate cluster-based error reduction when implementing Gaussian operations.

Quantum computers hold great promise, but it remains a challenge to find efficient quantum circuits that solve interesting computational problems. We show that finding optimal quantum circuits is essentially equivalent to finding the shortest path between two points in a certain curved geometry. By recasting the problem of finding quantum circuits as a geometric problem, we open up the possibility of using the mathematical techniques of Riemannian geometry to suggest new quantum algorithms, or to prove limitations on the power of quantum computers.

Recent results in quantum information theory characterize quantum coherence in the context of resource theories. Here, we study the relation between quantum coherence and quantum discord, a kind of quantum correlation which appears even in nonentangled states. We prove that the creation of quantum discord with multipartite incoherent operations is bounded by the amount of quantum coherence consumed in its subsystems during the process. We show how the interplay between quantum coherence consumption and creation of quantum discord works in the preparation of multipartite quantum correlated states and in the model of deterministic quantum computation with one qubit.

Abstract Complex-valued neural networks have many advantages over their real-valued counterparts. Conventional digital electronic computing platforms are incapable of executing truly complex-valued representations and operations. In contrast, optical computing platforms that encode information in both phase and magnitude can execute complex arithmetic by optical interference, offering significantly enhanced computational speed and energy efficiency. However, to date, most demonstrations of optical neural networks still only utilize conventional real-valued frameworks that are designed for digital computers, forfeiting many of the advantages of optical computing such as efficient complex-valued operations. In this article, we highlight an optical neural chip (ONC) that implements truly complex-valued neural networks. We benchmark the performance of our complex-valued ONC in four settings: simple Boolean tasks, species classification of an Iris dataset, classifying nonlinear datasets (Circle and Spiral), and handwriting recognition. Strong learning capabilities (i.e., high accuracy, fast convergence and the capability to construct nonlinear decision boundaries) are achieved by our complex-valued ONC compared to its real-valued counterpart.

Continuous-variable cluster states offer a potentially promising method of implementing a quantum computer. This paper extends and further refines theoretical foundations and protocols for experimental implementation. We give a cluster-state implementation of the cubic phase gate through photon detection, which, together with homodyne detection, facilitates universal quantum computation. In addition, we characterize the offline squeezed resources required to generate an arbitrary graph state through passive linear optics. Most significantly, we prove that there are universal states for which the offline squeezing per mode does not increase with the size of the cluster. Simple representations of continuous-variable graph states are introduced to analyze graph state transformations under measurement and the existence of universal continuous-variable resource states.

Abstract Realizing a long coherence time quantum memory is a major challenge of current quantum technology. Until now, the longest coherence-time of a single qubit was reported as 660 s in a single 171 Yb + ion-qubit through the technical developments of sympathetic cooling and dynamical decoupling pulses, which addressed heating-induced detection inefficiency and magnetic field fluctuations. However, it was not clear what prohibited further enhancement. Here, we identify and suppress the limiting factors, which are the remaining magnetic-field fluctuations, frequency instability and leakage of the microwave reference-oscillator. Then, we observe the coherence time of around 5500 s for the 171 Yb + ion-qubit, which is the time constant of the exponential decay fit from the measurements up to 960 s. We also systematically study the decoherence process of the quantum memory by using quantum process tomography and analyze the results by applying recently developed resource theories of quantum memory and coherence. Our experimental demonstration will accelerate practical applications of quantum memories for various quantum information processing, especially in the noisy-intermediate-scale quantum regime.

The ability of quantum states to be in superposition is one of the key features that sets them apart from the classical world. This “coherence” is rigorously quantified by resource theories, which aim to understand how such properties may be exploited in quantum technologies. There has been much research on what the resource theory of coherence can reveal about quantum metrology, almost all of which has been from the viewpoint of Fisher information. We prove, however, that the relative entropy of coherence, and its recent generalization to positive operator-valued measures (POVMs), naturally quantify the performance of Bayesian metrology. In particular, we show how a coherence measure can be applied to an ensemble of states. We then prove that during parameter estimation, the ensemble relative entropy of coherence (C) is equal to the difference between the optimal Holevo information (X), and the mutual information attained by a measurement (I). We call this relation the CXI equality. The ensemble coherence lets us visualize how much information is locked away in superposition and hence is inaccessible with a given measurement scheme and quantifies the advantage that would be gained by using a joint measurement on multiple states. Our results hold regardless of how the parameter is encoded in the state, encompassing unitary, dissipative, and discrete settings. We consider both projective measurements and general POVMs. This work suggests new directions for research in coherence, provides a novel operation interpretation for the relative entropy of coherence and its POVM generalization, and introduces a new tool to study the role of quantum features in metrology. Published by the American Physical Society 2024

Abstract The Josephson effect is a macroscopic quantum tunneling phenomenon in a system with superfluid property, when it is split into two parts by a barrier. Here, we examine the Josephson effect in a driven-dissipative supersolid realized by coupling Bose-Einstein condensates to an optical ring cavity. We show that the spontaneous breaking of spatial translation symmetry in supersolid makes the location of the splitting barrier have a significant influence on the Josephson effect. Remarkably, for the same splitting barrier, depending on its location, two different types of DC Josephson currents are found in the supersolid phase (compared to only one type found in the superfluid phase). Thus, we term it a bi-Josephson effect. We examine the Josephson relationships and critical Josephson currents in detail, revealing that the emergence of supersolid order affects these two types of DC Josephson currents differently---one is enhanced, while the other is suppressed. The findings of this work unveil unique Josephson physics in the supersolid phase, and show new opportunities to build novel Josephson devices with supersolids.