[論文レビュー] Demonstration of an all-optical quantum controlled-NOT gate

Jeremy L. O’Brien, Geoff J. Pryde+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2004

Quantum Information and Cryptography被引用数 43

ひとこと要約

本論文は、線形光学、報知型単一光子検出、量子状態トモグラフィーを用いて、すべての光的量子制御NOT（CNOT）ゲートを実証している。ゲートは非古典的干渉と条件付き検出を介して確率的に動作し、4つのベル状態を全ても75%以上の保真度で生成した。これは、スケーラブルな線形光学量子計算に不可欠な高保真度のもつれ状態と機能的なCNOT操作を確認するものである。

ABSTRACT

The promise of tremendous computational power, coupled with the development of robust error-correcting schemes, has fuelled extensive efforts to build a quantum computer. The requirements for realizing such a device are confounding: scalable quantum bits (two-level quantum systems, or qubits) that can be well isolated from the environment, but also initialized, measured and made to undergo controllable interactions to implement a universal set of quantum logic gates. The usual set consists of single qubit rotations and a controlled-NOT (CNOT) gate, which flips the state of a target qubit conditional on the control qubit being in the state 1. Here we report an unambiguous experimental demonstration and comprehensive characterization of quantum CNOT operation in an optical system. We produce all four entangled Bell states as a function of only the input qubits' logical values, for a single operating condition of the gate. The gate is probabilistic (the qubits are destroyed upon failure), but with the addition of linear optical quantum non-demolition measurements, it is equivalent to the CNOT gate required for scalable all-optical quantum computation.

研究の動機と目的

• 単一光子源と検出器のみを用いて、機能的かつ高保真度のすべての光的CNOTゲートを実証すること。
• 報知型光子検出を用いた条件付き動作を達成し、KLMが提唱したスケーラブルな量子計算を実現すること。
• 4つの最大もつれベル状態の量子状態トモグラフィーを包括的に行い、ゲートの性能を特徴付けること。
• 異なる入力論理状態に対して再調整なしに一貫した動作を示すことで、ゲートの安定性と普遍性を検証すること。
• ベル不等式の破れと高い可視度の干渉縞を用いて、量子もつれの実験的証明を行うこと。

提案手法

• 空間的に符号化された光子qubitと偏光ビームスプリッター（PBS）および波長板を用いたマハランスキー干渉計を用いてCNOTゲートを実装する。
• エネルギー縮退した光子対を生成するため、自己非線形効果によるパラメトリック下変換を用いる。
• 出力モードの両方で同時に1光子が検出されたことを報知として、ゲート動作の成功を確認する（5 nsの一致時間窓を用いた一致検出）。
• 2量子ビット密度行列再構成のため、コンピュータ制御のHWPおよびQWPシステムを用いて、全16組の共同測定設定を測定する。
• 量子非破壊（QND）測定の原則を適用し、ゲートがKLM CNOTプロトコルと等価であることを検証する。
• 保真度、干渉縞の可視度、およびアキシオニクスや純度といったもつれ尺度を用いて、ゲートの性能を特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一光子源と検出器のみを用いた線形光学系で、決定的CNOTゲートを実現できるか？
• RQ2 マハランスキー干渉計における非古典的干渉は、高保真度の2量子ビットもつれをどの程度可能にするか？
• RQ3 再調整なしに、1つの固定ゲート設定で4つのベル状態を高保真度で生成できるか？
• RQ4 モード一致エラーと入力ビームのステアリングは、ゲートの保真度ともつれ保真度にどのような影響を及えるか？
• RQ5 実験的実装は、ゲートがKLM CNOTプロトコルと機能的に同等であることを十分に示せるか？

主な発見

• 論理基底における平均成功確率は84%に達し、一致検出により条件付き動作が確認された。
• 直交しない基底における干渉縞の可視度が90%を超えたことで、強い量子干渉と非古典的挙動が裏付けられた。
• 量子状態トモグラフィーにより、4つのベル状態すべてが75%を超える保真度で再構成され、|Ψ⁻⟩では0.87 ± 0.08、|Φ⁺⟩では0.77 ± 0.09の保真度が得られた。
• 再構成された密度行列は、ベル不等式が破れる領域に位置する明確なもつれの兆候を示した。
• 異なる入力状態に対して再調整なしに24時間にわたって高い安定性と再現性を示した。
• 主な誤差源は、制御qubitに|1⟩を含む状態において、制御とターゲットqubitモード間のモード不一致であった。