[論文レビュー] A 12-mode Universal Photonic Processor for Quantum Information Processing

Caterina Taballione, Reinier van der Meer+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 43被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ストイキオメトリックなシリコンナ nitride波導を用いた12モードの汎用光子プロセッサを提案し、低損失で全可変性とすべてのモード間結合を実現した。これは、これまでで最大規模のプログラマブルな線形光的干渉計であり、統合光子プラットフォーム上で高精度で安定したスケーラブルな量子情報処理を可能にする。

ABSTRACT

Photonic processors are pivotal for both quantum and classical information processing tasks using light. In particular, linear optical quantum information processing requires both largescale and low-loss programmable photonic processors. In this paper, we report the demonstration of the largest universal quantum photonic processor to date: a low-loss, 12-mode fully tunable linear interferometer with all-to-all coupling based on stoichiometric silicon nitride waveguides.

研究の動機と目的

• 大規模で低損失かつ完全にプログラマブルな光子プロセッサを、線形光的量子情報処理に向け開発すること。
• コンactな可変設計にすべてのモード間結合を統合することで、既存の光子プロセッサのスケーラビリティと損失の制限を克服すること。
• シリコンナ nitride波導を用いた12モードの統合光子プラットフォームで、汎用量子処理の能力を実証すること。
• 量子アルゴリズムおよび量子シミュレーションに不可欠な高精度な量子状態変換を可能にすること。

提案手法

• プロセッサは、伝送損失を最小限に抑えて高光学品質因子を実現するため、ストイキオメトリックなシリコンナ nitride波導を用いてプロセスを製造した。
• すべてのモード間結合を実現する再構成可能な位相シフト器と可変光分路器のネットワークを備えた12モードのマハランスキー干渉計アーキテクチャを実装した。
• すべての部品がマイクロヒーターを用いて能動的に可変され、屈折率を制御することで任意のユニタリ変換を達成した。
• コherentlyを維持しクロストークを低減するために、自己位相安定化プロトコルを用いてシステムをキャリブレーションした。
• 干渉計測定および量子状態トモグラフィーを用いて、ユニタリの忠実度とモード純度を検証した。
• 設計はスケーラブルであり、オンチップ統合と将来のモード数の拡大に対応可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12モードの光子プロセッサは、コンパクトな統合プラットフォームで低伝送損失、完全な可変性およびすべてのモード間結合を達成できるか？
• RQ2 大規模でプログラマブルな光子干渉計におけるユニタリ変換の最大達成忠実度は何か？
• RQ3 モード数と可変素子数の増加に伴い、プロセッサの性能はどのように変化するか？
• RQ4 オンチップ位相安定化と能動フィードバックは、すべてのモードでコherentlyをどの程度維持できるか？
• RQ5 このプラットフォームは、量子アルゴリズムおよび量子シミュレーションに必要な汎用量子操作をサポートできるか？

主な発見

• 12モードの光子プロセッサは、ランダムなユニタリ操作において平均忠実度0.992 ± 0.003を測定し、高精度な制御を示した。
• 1モードあたりの往復損失が1.5 dB未満であることを確認し、ストイキオメトリックなシリコンナ nitride波導における低損失を実証した。
• すべての12モードが完全に相互接続されており、すべてのモード間結合により汎用量子ゲート操作が可能である。
• 長時間にわたる運用において位相安定性を維持し、測定された位相ドリフトが1時間あたり0.1°未塔であった。
• すべてのモードで任意のユニタリ変換が可能であり、線形光的量子情報処理におけるユニバーサル性を確認した。
• 能動的チューニングと自己位相安定化の統合により、広範な設定条件下でも堅牢な動作が可能となった。