[論文レビュー] Creation of Optical Cat and GKP States Using Shaped Free Electrons

Raphael Dahan, Gefen Baranes+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2022

Photocathodes and Microchannel Plates被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、波導やフォトニクス結晶などのフォトニクス構造と相互作用する形をした自由電子を用いて、光学的キャット状態およびゴーテスマン＝キタイエフ＝プレスキー（GKP）状態を生成する手法を提案する。これにより、光学領域における弱い非線形性の課題を克服する。10%のポストセレクション条件下で、GKP状態のための10 dBを超えるスリーピングと90%を超える忠実度が達成され、事前スリーピング入力を用いることで30%を超える効率が見込まれる。これにより、電磁スペクトル全域にわたるスケーラブルな連続変数量子情報処理が可能になる。

ABSTRACT

Cat states and Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states play a key role in quantum computation and communication with continuous variables. The creation of such states relies on strong nonlinear light-matter interactions, which are widely available in microwave frequencies as in circuit quantum electrodynamics platforms. However, strong nonlinearities are hard to come by in optical frequencies, severely limiting the use of continuous variable quantum information in the optical range. Here we propose using the strong interactions of free electrons with light as a source for optical cat and GKP states. The strong interactions can be realized by phase-matching of free electrons with photonic structures such as optical waveguides and photonic crystals. Our approach enables the generation of optical GKP states with above 10 dB squeezing and fidelities above 90% at post-selection probability of 10%, even reaching >30% using an initially squeezed vacuum state. Furthermore, the free-electron interaction allows for conditional rotations on the photonic state, enabling to entangle a pair of GKP states into a GKP Bell state. Since electrons can interact resonantly with light across the electromagnetic spectrum, our approach may be used for the generation of cat and GKP states over the entire electromagnetic spectrum, from radio-waves to X-rays.

研究の動機と目的

• 光学周波数における強い非線形性の欠如に起因する、キャット状態やGKP状態を含む連続変数量子状態の生成の困難さに対処すること。
• 設計されたフォトニクス構造内での強い電子-光子相互作用を活用し、決定論的かつ高忠実度の状態準備を実現すること。
• マイクロ波プラットフォームにとどまらず、光学領域および電磁スペクトル全域への量子状態生成を拡張すること。
• 測定可能なスリーピングとポストセレクション効率が量子情報応用に適した高忠実度のGKP状態を達成すること。

提案手法

• 光学波導やフォトニクス結晶などのフォトニクス構造と、形をした自由電子との間で位相一致する相互作用を用い、強い有効非線形性を媒介すること。
• 電子波動関数を設計して、特定のフォトニクスモードにコherentに結合させ、光学場における条件付き状態準備を可能にすること。
• 電子-光子もつれが測定によって後から選択された状態準備を可能にするスキームを実装すること。
• 初期にスリーピング真空状態を用いることでポストセレクション効率を向上させ、GKP状態生成の成功確率を30%以上に高めること。
• 電子を介したもつれを用いてフォトニクス状態に対する条件付き回転を実現し、GKPベル状態の作成を可能にすること。
• 電子-光子相互作用の広帯域周波数可変性を活かし、ラジオ波からX線に至るまで電磁スペクトル全域にわたる応用を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクス構造と相互作用する自由電子は、高忠実度かつ測定可能なスリーピングを伴う光学的キャット状態およびGKP状態を生成できるか？
• RQ2 形をした自由電子を用いた光学的GKP状態生成における実現可能なポストセレクション効率はどの程度か？
• RQ3 電子を介した相互作用は、ベル状態のようなもつれGKP状態を生成するための条件付き回転などのもつれ操作を可能にするか？
• RQ4 事前スリーピング入力状態を用いることで、GKP状態生成の成功率と品質はどのように向上するか？
• RQ5 この手法は、ラジオ波からX線に至るまで、電磁スペクトル全域に一般化可能か、その範囲はどの程度か？

主な発見

• 10%のポストセレクション確率で、10 dBを超えるスリーピングを伴い、90%を超える忠実度を持つ光学的GKP状態を生成可能である。
• 入力状態が初期にスリーピング真空状態の場合、ポストセレクション効率は30%を超えることが可能となり、実用的実装の可能性が著しく向上する。
• 電子を介したもつれを用いた条件付き回転により、フォトニクス状態に対して操作が可能となり、GKPベル状態の作成が可能である。
• 電子と光の共鳴的相互作用が広帯域周波数で実現可能なことから、電磁スペクトル全域にわたるスケーラビリティが確保される。
• 自由電子とフォトニクス構造との間の位相一致が、光学領域における状態準備に不可欠な強い有効非線形性を実現する。
• 本手法は、従来弱い非線形性によって制限されていた光学領域における連続変数量子情報処理への道筋を提供する。