[論文レビュー] Creation of Entangled Photonic States Using Linear Optics

Sara Bartolucci, Patrick M. Birchall+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Optical Network Technologies参考文献 2被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、従来の手法よりもはるかに高い成功確率で確率的光子もつれ状態を生成するための高度な線形光技術を導入する。適応的測定戦略、多重化、および「bleeding」と「primates」といった新規プロトコルを活用することで、ベル状態生成の成功確率を最大2/3まで向上させ、ベル状態補助状態を用いることでタイプI融合の成功確率を75%まで向上させ、線形光量子計算アーキテクチャにおけるリソースの過剰な消費を顕著に低減する。

ABSTRACT

Using only linear optical elements, the creation of dual-rail photonic entangled states is inherently probabilistic. Known entanglement generation schemes have low success probabilities, requiring large-scale multiplexing to achieve near-deterministic operation of quantum information processing protocols. In this paper, we introduce multiple techniques and methods to generate photonic entangled states with high probability, which have the potential to reduce the footprint of Linear Optical Quantum Computing (LOQC) architectures drastically. Most notably, we are showing how to improve Bell state preparation from four single photons to up to p=2/3, boost Type-I fusion to 75% with a dual-rail Bell state ancilla and improve Type-II fusion beyond the limits of Bell state discrimination.

研究の動機と目的

• 線形光量子計算におけるもつれ状態生成の本質的な確率的性質を克服すること。
• 主要なもつれ操作の成功確率を向上させることで、線形光量子計算（LOQC）アーキテクチャのリソース消費と占有面積を低減すること。
• 非安定化中間状態を活用するより効率的なもつれ状態生成のための新たな適応的プロトコル「bleeding」と「primates」を開発すること。
• 少ない光子源と単純な多重化スキームで高精度のもつれ状態を実現できることを示すこと。

提案手法

• 「bleeding」を導入：4つの単一光子を用いたベル状態生成時に適応的測定を実施し、成功確率を2/3まで向上させる。
• 「primates」を提唱：非安定化中間状態と適応的制御を用いて、効率的な多重化GHZ状態生成を可能にするプロトコル。
• 活性スイッチングネットワークを用いた多重化により、並列試行からの成功したもつれイベントを選別する。
• 補助ベル状態を用いることで、タイプI融合の成功確率を1/2から3/4まで向上させ、確定的クラスタ状態のパーコレーションを可能にする。
• 補助光子またはベルペアを用いた部分的ベル基底測定により、成功確率を5/8または3/4まで向上させる。
• DFTに類似した干渉計を用いたデスプリーディング操作により、確率的処理後の光子を引き抜いた状態を信号モードに再集中させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応的線形光を用いることで、4つの単一光子から生成するベル状態の成功確率を1/4の上限を超えて向上させられるか？
• RQ2 補助もつれ状態を用いることで、タイプI融合の成功確率を1/2を超えて向上させられるか？
• RQ3 非安定化中間状態を活用することで、多重化もつれ状態生成に必要な光子源の数を削減できるか？
• RQ4 補助光子またはもつれ状態を用いることで、部分的ベル基底測定を強化し、融合プロトコルの性能を向上させられるか？
• RQ5 ベル状態と適応的線形光を用いることで、近似的に決定的なクラスタ状態の作成が可能か？

主な発見

• 「bleeding」プロトコルを用いることで、4つの単一光子からベル状態を生成する成功確率が最大2/3にまで向上し、従来の1/4の上限を上回る。
• 二レールベル状態を補助状態として用いることで、タイプI融合の成功確率が75%まで向上し、より効率的なもつれスケーリングが可能になる。
• 「primates」プロトコルにより、既知のキュービットベースの手法よりも少ない光子源で多重化GHZ状態を生成できる。
• 2つの単一光子補助状態または1つのベルペアを用いることで、部分的ベル基底測定の成功確率を5/8または3/4まで向上させられる。
• 最適透過率 t = √2 − 1 を用いることで、4-GHZ状態を生成するのに必要な単一光子数は約309に最小限に抑えられる。
• 本稿では、ベル状態と適応的線形光のみを用いて、パーコレーションされたクラスタ状態をバッタリックに生成できることを示しており、分野における未解決問題を解決した。