[論文レビュー] Efficient generation of entangled multi-photon graph states from a single atom

Philip Thomas, Leonardo Ruscio+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 41被引用数 190

ひとこと要約

本論文は、高精細ファイバー・キャビティ内に閉じ込められた87Rb原子1個を用いて、大規模光的グラフ状態—特にグリーナーバーガー＝ホーン＝ゼーリング（GHZ）状態および線形クラスタ状態—を決定的かつ高効率に生成する手法を示している。vSTIRAPを用いた制御された単一光子放出と、適切に調整された原子量子ビット回転を組み合わせることで、14光子のGHZ状態を76%以上のfidelityで、12光子のクラスタ状態を56%以上のfidelityで生成し、1分間に約1状態のレートを達成した。これは、確率的SPDCベースの手法に比べ、スケーラビリティと効率性において優れている。

ABSTRACT

Entanglement is a powerful concept with an enormous potential for scientific and technological advances. A central focus in modern research is to extend the generation and control of entangled states from few to many qubits, and protect them against decoherence. Optical photons play a prominent role as these qubit carriers are naturally robust and easy to manipulate. However, the most successful technique to date for creating photonic entanglement is inherently probabilistic and therefore subject to severe scalability limitations. Here we avoid these by implementing a deterministic protocol with a single memory atom in a cavity. We interleave controlled single-photon emissions with tailored atomic qubit rotations to efficiently grow Greenberger-Horne-Zeilinger states of up to 14 photons and linear cluster states of up to 12 photons with a fidelity lower bounded by 76(6)% and 56(4)%, respectively. Thanks to a source-to-detection efficiency of 43.18(7)% per photon we measure these large states about once every minute, orders of magnitude faster than in any previous experiment. In the future, this rate could be increased even further, the scheme could be extended to two atoms in a cavity, or several sources could be quantum mechanically coupled, to generate higher-dimensional cluster states. Overcoming the limitations encountered by probabilistic schemes for photonic entanglement generation, our results may offer a way towards scalable measurement-based quantum computation and communication.

研究の動機と目的

• SPDCのような確率的光的もつれ源のスケーラビリティの限界を克服すること。
• 単一の原子量子ビットを量子メモリとして用いて、多光子グラフ状態を決定的に生成するプロトコルを実装すること。
• 単一の原子キャビティ系を用いて、高fidelityで大規模な光的もつれ状態を実現すること。
• オンデマンドでリソース状態を生成することで、測定に基づく量子計算をスケーラブルに可能とすること。
• 高効率なソースから検出への変換を実現する、モジュラーでスケーラブルな光的量子情報処理プラットフォームを提供すること。

提案手法

• 高精細光的キャビティ内に捕らえられた単一の87Rb原子が、量子メモリおよび光子源として機能する。
• 真空中で励起されたラマン断熱遷移（vSTIRAP）を用いて、高効率かつ不変の性質を持つ光子を生成する。
• 制御された単一光子放出と、適切に調整された原子量子ビット回転（θ = 0 または π/2）を交互に実行することで、もつれをエンジニアリングする。
• 原子のハイパーフィン構造を活用し、内在的な動的デカップリングを実装することで、デコherenceを低減する。
• 電気光学モジュレータと半波長板を用いた高速な基底切り替え（Z/X基底）を備えた偏光分解検出装置で光子を検出する。
• GHZ状態およびクラスタ状態の安定化子形式に基づくもつれ証明によるfidelityを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ内の単一原子が、決定的かつ高fidelityで大規模な光的グラフ状態を生成できるか？
• RQ2 原子系における内在的な動的デカップリングは、多光子状態生成中にデコherenceをどのように軽減するか？
• RQ3 この決定的プロトコルを用いて、GHZ状態およびクラスタ状態の最大光子数とfidelityはそれぞれどの程度達成可能か？
• RQ4 ソースから検出への変換効率は、確率的SPDCベースの手法と比較して、状態生成レートの観点でどのように異なるか？
• RQ5 このプラットフォームは、複数のソースをモジュラーに結合することで、高次元クラスタ状態の生成に拡張可能か？

主な発見

• 著者らは、fidelityの下限が76(6)%に達する14光子GHZ状態を生成し、過去の決定的および確率的ベンチマークを上回った。
• 12光子の線形クラスタ状態がfidelityの下限が56(4)%に達するように作成され、スケーラブルなリソース状態準備を実証した。
• システムは1光子あたり43.18(7)%のソースから検出への変換効率を達成し、1分間に約1状態のレートで大規模もつれ状態を生成可能となった。
• 測定基底におけるパリティの振動が、真の多粒子もつれを確認した。1.2 msの遅延でも可視度が維持されており、強いコherーランスを示した。
• プロトコルは内在的な動的デカップリングを示し、約85 µsの遅延で可視度の再位相化が観測され、デコherence効果が低減した。
• SPDCベースの手法に比べ、スケーラビリティとレートの面で優れており、ワンウェイ量子計算への決定的かつモジュラーな道筋を提供した。