[論文レビュー] 8x8 Programmable Quantum Photonic Processor based on Silicon Nitride Waveguides

Caterina Taballione, Tom A. W. Wolterink+11 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2018

Photonic and Optical Devices被引用数 1

ひとこと要約

この論文では、低損失の窒化ケイ素光波導を用いた8×8再構成可能な量子フォトリックスプロセッサを提案しており、フォトリックス量子情報処理のための任意の線形光的変換を可能にしている。フォトリックス量子情報処理の基本的素子、例えばホン＝オウ＝マーティン干渉や高次元量子ゲートの高精度な実証が達成されており、このプラットフォーム上で報告された最大のプログラマブルな統合フォトリックス回路である。

ABSTRACT

The development of large-scale optical quantum information processing circuits ground on the stability and reconfigurability enabled by integrated photonics. We demonstrate a reconfigurable 8x8 integrated linear optical network based on silicon nitride waveguides for quantum information processing. Our processor implements a novel optical architecture enabling any arbitrary linear transformation and constitutes the largest programmable circuit reported so far on this platform. We validate a variety of photonic quantum information processing primitives, in the form of Hong-Ou-Mandel interference, bosonic coalescence/anticoalescence and high-dimensional single-photon quantum gates. We achieve fidelities that clearly demonstrate the promising future for large-scale photonic quantum information processing using low-loss silicon nitride.

研究の動機と目的

• 大規模量子情報処理のためのスケーラブルで再構成可能な統合フォトリックスプラットフォームの開発を目的とする。
• 低損失の窒化ケイ素光波導を活用することで、既存の光学量子回路のスケーラビリティと安定性の限界を克服することを目的とする。
• 任意のユニタリ変換を実装可能なプログラマブルな線形光的ネットワークの実現を目的とする。
• ボゾニック凝集や高次元量子ゲートなどの主要な量子情報処理素子の検証を目的とする。

提案手法

• 低損失で高安定性を示す窒化ケイ素光波導を用いた再構成可能な8×8線形光的ネットワークの設計およびプロセス。
• プログラマブルな位相シフト器とマハーチェンダ干渉計を用いて、任意のユニタリ変換を実現する新しい光的アーキテクチャの実装。
• 統合熱光的位相シフト器を用いて、ネットワークのユニタリ行列の動的再構成を実現。
• 完全に統合されたプラットフォーム上で量子操作を検証するため、単一光子源とオンチップ検出器の使用。
• ゲートの忠実度とコherenecyを特徴付けるために、量子プロセストロポグラフィーと干渉測定の応用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低損失で統合された窒化ケイ素プラットフォーム上で、大規模で再構成可能なフォトリックス量子プロセッサを実現できるか？
• RQ2 このプラットフォーム上で、高精度な量子操作を実現可能なプログラマブルな線形光的ネットワークの最大サイズは何か？
• RQ3 プロセッサは、ホン＝オウ＝マーティン干渉やボゾニック凝集といった基本的量子素子を信頼性高く実装できるか？
• RQ4 このプラットフォームは、高次元単一光子量子ゲートをどの程度サポートできるか？

主な発見

• 8×8プロセッサは任意の線形変換を正常に実装しており、窒化ケイ素プラットフォーム上で報告された最大のプログラマブルなフォトリックス回路を表している。
• 高可視度の干渉が観測されたホン＝オウ＝マーティン干渉により、光子の同一性が確認された。
• ボゾニック凝集と反凝集が実験的に実証され、多光子干渉における量子統計の妥当性が裏付けられた。
• 高次元ヒルベルト空間における高忠実度の単一光子量子ゲートが達成されており、スケーラビリティの可能性が示された。
• 忠実度が明確に古典的ベンチマークを上回っており、プラットフォームが大規模量子情報処理に適していることが確認された。