[論文レビュー] Experimental Controlled-NOT Logic Gate for Single Photons

T. B. Pittman, Michael J. Fitch+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2003

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、線形光学素子と後選別された3光子干渉を用いて、単一光子の確率的制御フラップ（CNOT）量子論理ゲートを実証する。制御光子、標的光子、補助光子をエンタングルさせることで、3つの光子が特定の出力モードに検出された場合にのみ量子論理操作が実現され、スケーラブルな線形光学量子計算への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

We report a proof-of-principle demonstration of a probabilistic controlled-NOT gate for single photons. Single-photon control and target qubits were mixed with a single ancilla photon in a device constructed using only linear optical elements. The successful operation of the controlled-NOT gate relied on post-selected three-photon interference effects which required the detection of the photons in the output modes.

研究の動機と目的

• 線形光学素子のみを用いて、単一光子の決定的量子論理ゲートを実現すること。
• 線形光学を用いた光子量子計算における非線形量子操作の実装の挑戦に取り組むこと。
• 後選別された多光子干渉が、ユニバーサル量子論理ゲートの実現を可能にすることを示すこと。
• 確率的ゲート操作を用いたスケーラブルな線形光学量子計算の実現可能性を検証すること。

提案手法

• ゲートは、ビームスプリッターや位相シフトャーのネットワークを用いて、制御光子、標的光子、補助光子を干渉的に混合する。
• 操作は、3つの光子が特定の出力モードに検出された場合にのみ発生する3光子干渉効果に依存する。
• 成功したゲート操作を同定するために、測定結果に対して後選別が適用される。
• 1つの補助光子の使用により、CNOTゲートに必要な条件付き論理が実現される。
• 強い光子-光子相互作用を必要としない線形光学の制約下でシステムが設計されている。
• ゲートの成功は、3つの光子が事前に定義された出力チャネルに検出されたことにて報知される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形光学素子のみを用いて、単一光子の制御フラップゲートを実装できるか？
• RQ2 後選別された多光子干渉は、線形光学における非線形量子論理をどのように可能にするか？
• RQ3 補助光子は、光子量子ビットの条件付き論理操作を実現するために果たす役割は何か？
• RQ4 確率的線形光学ゲートを用いて、ユニバーサル量子計算を達成できるか？
• RQ5 現実的な実験的条件下で、このようなゲートの制限要因と成功確率は何か？

主な発見

• 実験により、線形光学素子と後選別を用いて、単一光子のCNOTゲートが成功裏に実証された。
• 出力モードにおける3光子干渉の観測によって、ゲート操作が確認された。
• 成功したゲート操作は、特定の出力チャネルに3つの光子が検出されたことにて報知された。
• ゲート操作の忠実度は、プロセスの確率的性質と光子損失によって制限された。
• 線形光学と後選別を用いた量子論理ゲートの実装の実現可能性が検証された。
• このアプローチは、確率的成功を伴うが、スケーラブルな線形光学量子計算への道筋を提供する。