[論文レビュー] Complete analysis and generation of hyperentangled Greenberger-Horne-Zeilinger state for photons using quantum-dot spins in optical microcavities

Tie-Jun Wang, Siyu Song+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、光学マイクロキャビティ内の量子ドットスピンを用いて、3光子ハイパーエンタングルドグリーナーバーガー・ホーン・ツァイリング（GHZ）状態の完全かつ決定論的な分析および生成のためのスケーラブルで決定論的なスキームを提案する。ダブルサイドとシングルサイドのキャビティ-QDシステムを組み合わせることで、偏光および空間モード自由度における64種類のハイパーエンタングルドGHZ状態を完全に区別可能であり、現在の実験的パラメータのもとで強結合領域においてほぼ1に近い忠実度と52％を超える効率を達成する。

ABSTRACT

We propose a scheme for the complete differentiation of 64 three-photon hyperentangled GHZ states in both polarization and spatial-mode degrees of freedoms using the quantum-dot cavity system. The three-photon hyperentangled-GHZ-state-analysis scheme can also be used to generate 3-photon hyperentangled GHZ states. This proposed hyperentangled analysis and generation device can serve as crucial components of the high-capacity, long-distance quantum communication. We use quantum swapping as an example to show the application of this device in quantum communication with polarization and spatial-mode degrees of freedoms. Using numerical calculations, we show that the present scheme may be feasible in strong-coupling regimes with current technologies.

研究の動機と目的

• 偏光および空間モード自由度における3光子ハイパーエンタングルドGHZ状態を完全かつ決定論的に分析・生成するための方法を開発すること。
• 多光子系におけるハイパーエンタングルメントを活用して、高容量で長距離の量子通信を実現すること。
• キャビティ-QDシステムの強結合領域において、現在の実験的条件下での本スキームの実現可能性を示すこと。
• スケーラブルな量子ネットワークの構築を目的とした、ハイパーエンタングルメントスワッピングを含む量子情報処理タスクへの応用を示すこと。

提案手法

• 光子の偏光および空間モード自由度をエンタングルするために、ダブルサイドキャビティ-QDシステムをSWAPゲートとして利用する。
• 光子状態間の位相差関係を検出するために、シングルサイドキャビティ-QDシステムをパリティーチェックデバイスとして利用する。
• ハイパーエンタングルド状態を用いた多粒子エンタングルメントの操作を示すために、量子スワッププロトコルを採用する。
• 結合定数 $g/(κ_s + κ)$ および損失比 $\kappa_s/\kappa$ の関数として忠実度および効率を評価するために数値シミュレーションを実施する。
• 現実のデコherenceおよび損失条件下での性能を定量的に評価するため、忠実度 $F_+$, $F_-$ および効率 $E'$, $E'^{\prime}$ の式を適用する。
• アダマール操作後にヘリシティ検出を用いたスピン状態読み出しを介した非破壊的単一スピン測定に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのデバイスで、偏光および空間モード自由度における64種類の3光子ハイパーエンタングルドGHZ状態を完全かつ決定論的に分析可能か？
• RQ2 本スキームは、キャビティ-QD技術の強結合領域において、現在の技術的条件下で実現可能か？
• RQ3 現実のデコherenceおよびキャビティ損失を考慮した場合、ハイパーエンタングルドGHZ状態の分析および生成における達成可能な忠実度および効率は何か？
• RQ4 本デバイスは、多粒子エンタングルメントの分配を可能にするハイパーエンタングルメントスワッピングにおいて、どのように機能するか？
• RQ5 本スキームは、スケーラブルで高容量な量子通信ネットワークを構築するために拡張可能か？

主な発見

• 結合定数比 $g/(κ_s + κ) > 1.5$ かつ損失比 $\kappa_s/\kappa \ll 1$ の条件下では、ほぼ1に近い忠実度（$F_+ \sim F_- \sim F'^{\prime} \sim 1$）と97％を超える効率（$E'^{\prime} > 97\%$）が達成可能である。
• 現実的なパラメータ（$\kappa_s/\kappa \approx 0.2$, $g/(κ_s + κ) \approx 0.58$）のもとでは、忠実度 $F_+ = F_- = 0.99$ および効率 $E_+ = E_- = 60\%$ が達成される。
• 小損失限界（$\kappa_s/\kappa \approx 0.2$）において、$g/(κ_s + κ) = 0.88$ のとき、忠実度 $F'^{\prime} \sim 0.98$ および効率 $E'^{\prime} = 52\%$ が達成される。
• シングルサイドキャビティシステムでは、$g/(κ_s + κ) \approx 1.0$ かつ $\kappa_s/\kappa \approx 0.7$ の条件下で $F'^{\prime} \sim 0.98$ を達成可能であるが、効率は $E'^{\prime} = 20\%$ に低下する。
• スピンデコherenceに対しても本スキームは頑健であり、$5t \ll T$ かつ $t \gg \tau/n_0$ を満たす限り、忠実度は $F'^{\prime} = [1 + \exp(-5t/T)]/2$ のように劣化する。
• 本デバイスは決定論的なハイパーエンタングルメントスワッピングを可能にし、長距離にわたる多粒子エンタングルメントの分配における有効性を示している。