[論文レビュー] Entanglement Detection with Single Hong-Ou-Mandel Interferometry

Chang Jian Kwong, Simone Felicetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2016

Optical Polarization and Ellipsometry被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、系の次元やモード数にかかわらず、1つのホン＝オウ＝マンド（HOM）干渉計と2つの検出器のみを用いて、すべてのエンタングル状態を検出する最小リソース手法を提案する。量子状態結合と軌道角運動量（OAM）符号化を活用することで、完全なトモグラフィーを必要とせず、2つの純粋状態間のfideliyを推定し、エンタングルメントを検出する。この結果、量子状態トモグラフィーのスケーリング劣化に比べ、エンタングルメント検出にはより少ないリソースで十分であることが示された。

ABSTRACT

Entanglement is not only fundamental for understanding multipartite quantum systems but also generally useful for quantum information applications. Despite much effort devoted so far, little is known about minimal resources for detecting entanglement and also comparisons to tomography which reveals the full characterization. Here, we show that all entangled states can in general be detected in an experimental scheme that estimates the fidelity of two pure quantum states. An experimental proposal is presented with a single Hong-Ou-Mandel interferometry in which only two detectors are applied regardless of the dimensions or the number of modes of quantum systems. This shows measurement settings for entanglement detection are in general inequivalent to tomography: the number of detectors in quantum tomography increases with the dimensions and the modes whereas it is not the case in estimation of fidelity which detects entangled states.

研究の動機と目的

• 最小限の測定リソースで、あらゆるエンタングル量子状態を検出する実験的手法を開発すること。
• エンタングルメント検出が、系のサイズに伴いスケーリング劣化が著しい完全な量子状態トモグラフィーを必要としないことを示すこと。
• HOM干渉計によるfideliy推定が、任意次元およびマルチモード系において普遍的なエンタングルメント検出ツールとして機能できることを示すこと。
• 現在の光子技術（特に量子状態結合とOAM符号化）を用いて、実現可能な実験的実装を可能にすること。

提案手法

• 本手法は、2つの検出器を備えた1つのHOM干渉計を用い、2つの純粋量子状態間のfideliyを推定する。
• 2つの光子キュービットを結合して1つの光子に統合する量子状態結合を用い、偏光および経路自由度に情報を符号化する。
• 空間光変調器（SLMs）を用いて、経路情報のOAM状態へのマッピングを実装することで、軌道角運動量（OAM）符号化を実現する。
• 出力状態の特定（例：経路aおよびcにおける水平偏光）を選択するためのポストセレクション手順を適用し、偏光と経路の4次元出力状態を生成する。
• ボソン系におけるバンドリング効果に依存し、同一の光子がビームスプリッターで干渉することで、fideliy推定が可能になる。
• 完全なトモグラフィック再構成を必要とせず、fideliy推定から導かれるエンタングルメントウィtnessの期待値が負であることを観測することでエンタングルメントを検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な量子状態トモグラフィーを実施せずにエンタングルメントを検出できるか？
• RQ2 系の次元やモード数に依存せず、固定された検出器数（2台）で、あらゆる種類のエンタングル状態を検出可能か？
• RQ3 1つのHOM干渉計によるfideliy推定が、普遍的なエンタングルメント検出プロトコルとして機能できるか？
• RQ4 現在の光子技術を用いて、最小リソースのエンタングルメント検出を実現するための実験的手法は何か？

主な発見

• 提案手法は、ヒルバート空間の次元やモード数にかかわらず、2つの検出器のみで、すべてのエンタングル状態を検出可能である。
• 1つのHOM干渉計を用いた2つの純粋状態間のfideliy推定により、普遍的なエンタングルメント検出が実現される。
• 必要な状態準備のポストセレクション成功率は1/32であり、現在の光子技術で実現可能である。
• 系のサイズに伴い検出器数が増加する量子トモグラフィーのリソーススケーリングを回避できる。
• fideliy推定から導かれるエンタングルメントウィtnessは、トモグラフィーに必要な完全な測定セットを必要とせず、エンタングルメント検出が可能である。
• 量子状態結合とSLMを用いたOAM符号化の組み合わせにより、1つの光子に多次元情報を効率的に符号化できる。