[論文レビュー] Generalized multi-photon quantum interference

Max Tillmann, Si-Hui Tan+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2014

Quantum Information and Cryptography被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、時間遅延を用いて光子の区別可能性を調整することで、多光子量子干渉の一般化されたフレームワークを提示する。遷移行列のイマニアントを用いて、すべての区別可能性の度合いにおける干渉を記述する。著者らは、3光子の統合干渉計で完全な一致率のランドスケープを実験的に示し、理論と優れた一致を示し、スケーラブルな量子光学のための対称性に適応した基底を確立した。

ABSTRACT

Non-classical interference of photons lies at the heart of optical quantum information processing. This effect is exploited in universal quantum gates as well as in purpose-built quantum computers that solve the BosonSampling problem. Although non-classical interference is often associated with perfectly indistinguishable photons this only represents the degenerate case, hard to achieve under realistic experimental conditions. Here we exploit tunable distinguishability to reveal the full spectrum of multi-photon non-classical interference. This we investigate in theory and experiment by controlling the delay times of three photons injected into an integrated interferometric network. We derive the entire coincidence landscape and identify transition matrix immanants as ideally suited functions to describe the generalized case of input photons with arbitrary distinguishability. We introduce a compact description by utilizing a natural basis which decouples the input state from the interferometric network, thereby providing a useful tool for even larger photon numbers.

研究の動機と目的

• 完全に区別不能な光子の理想状態を超えた非古典的干渉の理解のギャップを埋める。
• 完全に区別不能な多光子状態を生成する際の実験的課題を克服し、区別可能性を調整可能なパラメータとして扱う。
• 任意の光子の区別可能性および干渉計構成に適用可能な統一された理論的フレームワークを開発する。
• 入射状態と干渉計ネットワークを分離する自然な、対称性に適応した基底を用いて、多光子干渉のスケーラブルな記述を提供する。
• 3光子の統合光子回路において、区別可能性の全範囲にわたる一致率の正確な測定を通じて理論を実験的に検証する。

提案手法

• 光子間の時間遅延を制御することで、光子の区別可能性を調整し、遅延を連続的パラメータとして扱う。
• 干渉を遷移行列のイマニアンツでモデル化し、永久と行列式を一般化して、任意の区別可能性を記述する。
• 入射状態の性質と干渉計ユニタリ変換を分離する対称性に適応した基底を用いて、簡潔な理論的記述を導出する。
• 可プログラムな光子チップを用いて、遅延と位相差を調整可能な3光子の統合干渉計ネットワークを実装する。
• 複数の遅延設定において4重一致率を測定し、相対的出力確率を得るためにデータを正規化する。
• 最小二乗法によるフィッティングを誤差重み付けを伴って行い、実験データと理論予測を比較し、適合度の評価に赤色カイ二乗（χ²）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子の区別可能性が完全に区別不能から完全に区別可能に至る全範囲にわたり、非古典的干渉はどのように変化するか？
• RQ2 遷移行列のイマニアンツは、すべての区別可能性の度合いにわたる多光子干渉を統一的に記述できるか？
• RQ3 対称性に適応した基底は、スケーラブルな量子光学における入射状態と干渉計ネットワークを分離するために果たす役割は何か？
• RQ4 時間遅延による区別可能性を調整した場合、実験的一致率ランドスケープはどの程度正確に予測可能か？
• RQ5 部分的区別可能性は、現実の光子系におけるボソンサンプリングの結果にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 3光子の完全な一致率ランドスケープが6つの遅延設定において実験的にマッピングされ、量子的干渉から古典的干渉への滑らかな遷移が示された。
• 遷移行列のイマニアンツに基づく理論的予測は、実験データと一致し、赤色カイ二乗（χ²）値が1.10および1.38であった。これは高い忠実性と頑健性を示している。
• 最大区別可能性の場合（Δτ = -1000 fs）、出力124の一致率は8.18% ± 0.71%であったが、理論的予測値8.25%とよく一致した。
• 最大量子干渉の場合（Δτ = 0 fs）、出力123の一致率は58.26% ± 2.73%に達し、理論的値58.63%と整合的であった。
• 対称性に適応した基底は、入射状態の性質と干渉計ユニタリ変換を効果的に分離し、簡潔でスケーラブルな記述を可能にした。
• 本研究は、部分的区別可能性が制限要因ではなく、統合光子プラットフォームにおける多光子干渉を完全に制御可能なリソースであることを示した。