[論文レビュー] A photonic source of heralded GHZ states

Huan Cao, L. M. Hansen+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、固体量子ドット光源と安定した偏光干渉計を用いて、高レートで陽性確認付きの3光子偏光符号化GHZ状態を実証した。3つの補助光子を検出することで、0.914 ± 0.006 Hzのレートで、最大で0.7278 ± 0.0106のfidelityを持つGHZ状態の生成を陽性確認し、融合ベースのプロトコルを用いたスケーラブルな光量子計算を可能にする。

ABSTRACT

Generating large multiphoton entangled states is of main interest due to enabling universal photonic quantum computing and all-optical quantum repeater nodes. These applications exploit measurement-based quantum computation using cluster states. Remarkably, it was shown that photonic cluster states of arbitrary size can be generated by using feasible heralded linear optics fusion gates that act on heralded three-photon Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states as the initial resource state. Thus, the capability of generating heralded GHZ states is of great importance for scaling up photonic quantum computing. Here, we experimentally demonstrate this required building block by reporting a polarisation-encoded heralded GHZ state of three photons, for which we build a high-rate six-photon source ($547{\pm}2$ Hz) from a solid-state quantum emitter and a stable polarisation-based interferometer. The detection of three ancillary photons heralds the generation of three-photon GHZ states among the remaining particles with fidelities up to $\mathcal{F}=0.7278{\pm}0.0106$. Our results initiate a path for scalable entangling operations using heralded linear-optics implementations.

研究の動機と目的

• 光量子計算のためのスケーラブルで高レートな陽性確認付き多光子もつれ状態源の開発を目的とする。
• 線形光学と陽性確認操作のみを用いて、普遍的量子計算への実用的で損失に強いルートを提示することを目的とする。
• 決定的多光子干渉と擬似数検出を用いて、高精度な3光子GHZ状態を実現することを目的とする。
• 信頼性が高く高品質なリソース状態を提供することで、将来の統合ベース量子計算プロトコルを可能とすることを目的とする。
• 固体発光体と統合光回路を用いた多光子もつれ状態生成の限界を押し広げることを目的とする。

提案手法

• 28.7%の効率を持つファイバー効率の良い量子ドット単一光子源を用い、547 ± 2 Hzのレートで6つの不変光子を生成した。
• 7つの同期された電気光学モジュレータ（r-EOM）を複数周波数（10, 20, 40 MHz）で駆動することで、8つの連続する時間ビンの決定的タイムバンク多重化を実現した。
• 安定したファイバー型偏光干渉計を用いて、6つの光子を干渉的に重ね合わせ、高い可視度の量子干渉を実現した。
• 3つの陽性確認光子の擬似数検出を用い、残りの3つの光子がGHZ状態にあることを陽性確認した。検出には18個の超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用いた。
• 3つの信号量子ビットにおけるパウリ演算子（X, Y, Z）の全27通りの組み合わせを測定することで、|GHZ⁺⟩および|GHZ⁻⟩状態の過剰な量子状態トモグラフィーを実施した。
• 理想のGHZ状態とのfidelityを計算し、再構成された密度行列にわずかな虚数部が存在するための位相補正を施した。

Figure 1: Single-photon quality. (a) Normalised second-order auto-correlation function $g^{(2)}(\Delta t)$ from a Hanbury Brown and Twiss setup, and (b) at the output of a Hong-Ou-Mandel experiment at $\pi$ -pulse excitation. We measure the single-photon purity $1{-}g^{(2)}(0){=}0.981{\pm}0.003$ , a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体量子ドット光源と線形光学を用いて、高レートで陽性確認付きの3光子GHZ状態を生成できるか？
• RQ2 この光源と干渉計構成を用いた場合、陽性確認付きGHZ状態の達成可能なfidelityと生成レートはどの程度か？
• RQ3 1つの多光子光源を用いて、|GHZ⁺⟩および|GHZ⁻⟩状態を同時に過剰にトモグラフィーできるか？
• RQ4 この系の性能は、スケーラブルな統合ベース量子計算プロトコルをどの程度支援できるか？
• RQ5 光路内の損失と非効率性は、全体の陽性確認状態生成レートとfidelityにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 6光子源は547 ± 2 Hzの検出レートを達成し、高カウントレート実験を可能にした。
• 陽性確認付き3光子GHZ状態は0.914 ± 0.006 Hzのレートで生成され、光学的損失と検出非効率を考慮した理論的期待値と整合的であった。
• 位相補正後、理想の|GHZ⁺⟩状態とのfidelityは0.7278 ± 0.0106に測定され、高品質なもつれを確認した。
• |GHZ⁻⟩状態とのfidelityは0.7083 ± 0.0120であり、密度行列にわずかな虚数部が存在し、わずかな位相オフセットがあることを示した。
• 真の3粒子もつれ状態を示し、ウィtness値⟨W_GHZ⟩ = -0.2613 ± 0.0335を達成し、7標準偏差以上を上回った。
• 8光子レートは15.7 ± 0.4 Hzに達し、10光子レベルのプロトコルへのスケーラビリティを示した。

Figure 2: Multiphoton source. (a) Resonant demultiplexer. Seven synchronised r-EOMs—-one driven at $40$ MHz, two at $20$ MHz, and four at $10$ MHz–and polarising beam splitters, deterministically demultiplex eight consecutive time bins. Fibre-based delays and translation stages are used to correct t