[論文レビュー] Chip-scale Simulations in a Quantum-correlated Synthetic Space

Usman A. Javid, Raymond Lopez‐Rios+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、動的に変調されたリン酸リチウムマイクロレゾネータを用いて、広帯域な量子周波数コンブを生成するチップスケールの量子相関を持つ合成結晶を実証した。この結晶は約400×400の合成格子モードを有する。時間周波数もつれを用いた自己発生的パラメトリック下変換と、オンチップ内での電気光学的変調を活用することで、量子相関の協調的制御が可能となり、時間周波数ドメインにおける量子ランダムウォーク、ブロッホ振動、多準位Rabi振動のシミュレーションが実現された。

ABSTRACT

An efficient simulator for quantum systems is one of the original goals for the efforts to develop a quantum computer [1]. In recent years, synthetic dimension in photonics [2] have emerged as a potentially powerful approach for simulation that is free from the constraint of geometric dimensionality. Here we demonstrate a quantum-correlated synthetic crystal, based upon a coherently-controlled broadband quantum frequency comb produced in a chip-scale dynamically modulated lithium niobate microresonator. The time-frequency entanglement inherent with the comb modes significantly extends the dimensionality of the synthetic space, creating a massive nearly 400 x 400 synthetic lattice with electrically-controlled tunability. With such a system, we are able to utilize the evolution of quantum correlations between entangled photons to perform a series of simulations, demonstrating quantum random walks, Bloch oscillations, and multi-level Rabi oscillations in the time and frequency correlation space. The device combines the simplicity of monolithic nanophotonic architecture, high dimensionality of a quantum-correlated synthetic space, and on-chip coherent control, which opens up an avenue towards chip-scale implementation of large-scale analog quantum simulation and computation [1,3,4] in the time-frequency domain.

研究の動機と目的

• 光子工学における合成次元を用いたアナログ量子シミュレーションのためのスケーラブルでチップ統合型のプラットフォームを開発すること。
• もつれ光子間の非古典的量子相関を活用することで、古典的合成次元プラットフォームの限界を克服すること。
• モノリシックナノフォトニクスアーキテクチャにおいて、高次元的かつ電気的にチューナブルな量子シミュレーションを実現すること。
• オンチップで生成されたもつれ状態を用いて、量子ランダムウォークやブロッホ振動といった実用的量子シミュレーションを実証すること。
• 最小限の物理的フットプリントと高いコherencesを備えた、時間周波数ドメインにおける大規模量子シミュレーションを可能にすること。

提案手法

• 周期的にポールドされたリン酸リチウムマイクロレゾネータ内で自己発生的パラメトリック下変換（SPDC）を用いて、コherent制御された量子光周波数コンブ（QOFC）を生成する。
• レゾネータ内に埋め込まれたオンチップ電気光学変調器を用いて、コンブモード間の最近接結合を誘発し、タイトバインディング格子を形成する。
• 信号光子とイジール光子間の時間周波数もつれを活用することで、古典的周波数モードを超えた合成次元の拡張を実現する。
• もつれとcoherent制御を介して、ほぼ400×400モードの2次元量子相関を持つ合成格子を構築する。
• スペクトル干渉計測定と共同スペクトル強度（JSI）測定を用いて、量子相関の特徴付けとダイナミクスのシミュレーションを実施する。
• 数値フィッティングと分散分析を用いて、実験データから振動周波数を抽出し、量子ウォークの広がりを定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップスケールフォトニクスプラットフォームは、オンチップ量子周波数コンブを用いて、高次元の量子相関を持つ合成格子を生成できるか？
• RQ2 QOFCにおける時間周波数もつれは、古典的周波数モードを超えた合成空間の有効次元をどの程度拡張できるか？
• RQ3 オンチップ内での電気光学的変調は、量子相関の協調的かつチューナブルな制御を可能にし、複雑な量子ダイナミクスのシミュレーションを実現できるか？
• RQ4 このプラットフォームは、もつれ光子状態を用いて、量子ランダムウォークやブロッホ振動といった非自明な量子現象をシミュレートできるか？
• RQ5 量子相関とチューナブルな結合の統合は、モノリシックナノフォトニクスアーキテクチャにおいて、スケーラブルなアナログ量子シミュレーションを可能にするか？

主な発見

• システムは、約800個の単一光子モードを有する広帯域量子周波数コンブを生成し、ほぼ400×400モードの合成格子を形成した。
• 信号光子とイジール光子間の時間周波数もつれにより、長距離にわたる量子相関が実現され、合成空間の有効次元が顕著に拡張された。
• 2粒子量子ランダムウォークが測定され、共同スペクトル強度（JSI）行列におけるコherentな広がりが確認され、量子ダイナミクスと整合した分散が得られた。
• 時間周波数相関空間においてブロッホ振動が観測され、補正済みの一致確率ヒストグラムの正弦波フィッティングにより振動周波数が抽出され、95%信頼区間が達成された。
• もつれ光子対のスペクトル的および時間的相関関数において、多準位Rabi振動が成功裏にシミュレートされた。
• システムは合成格子の電気的チューニング制御を達成し、1枚のチップ上で多様な量子ダイナミクスを再構成可能なシミュレーションを可能にした。