[論文レビュー] Generation of entangled states of two traveling modes for fixed number of photon

Xu‐Bo Zou, K. Pahlke+1 more|ArXiv.org|Oct 26, 2001

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、連続的なビームスプリッタ変換と条件付きゼロ光子検出を用いて、固定された全光子数を持つ任意の二モード光子もつれ状態を決定的かつ生成する手法を提案する。この手法により、状態 $ abla = \sum_{n=0}^{N} C_n |n\rangle_1 |N-n\rangle_2 $ の任意の重ね合わせ状態を生成可能であり、最大もつれ四光子状態を生成する成功確率が 1/16 に達し、従来の手法を上回る性能を示す。

ABSTRACT

We present an scheme to generate entangled state between two traveling modes for fixed number of photon, which is based on beam splitter transformation and conditional zero photon counters.

研究の動機と目的

• 固定全光子数を持つ任意の二モード光子もつれ状態を生成するスケーラブルで決定的な手法の開発。
• 量子計測や量子情報プロトコルに不可欠な非ガウスもつれ状態の生成に直面する課題の解決。
• 既存の手法と比較して、高光子数もつれ状態の生成成功確率の向上。
• 線形光学と条件付き測定を用いた理論的に妥当で実験的に実現可能なフレームワークの提供。

提案手法

• 本手法は、ビームスプリッタ変換の連鎖と条件付きゼロ光子検出を用いて、状態 $\Psi = \sum_{n=0}^{N} C_n |n\rangle_1 |N-n\rangle_2 $ のもつれ状態を生成する。
• 状態係数の代数的構造を活用し、特徴多項式の根にパrameter化された移動型演算子の積への状態のマッピングを実現する。
• 各ステップでは、1光子をビームスプリッタに注入し、一方の出力ポートでゼロ光子を条件付きに検出することで、他方のモードに光子を条件付きで追加する。
• 変換シーケンスは、Baker-Campbell-Hausdorffの公式から導出され、初期の一光子状態を目的の N 光子もつれ状態にマッピング可能である。
• 可変反射率および透過率を持つビームスプリッタの級列と、真空状態の後選択を目的としたオンオフ光子検出器を組み合わせて実装される。
• 成功確率は、各段階におけるゼロ検出の条件付き確率に基づき再帰的に計算され、全体の成功確率に対する明示的な式が導出されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形光学と条件付き測定のみを用いて、固定全光子数を持つ任意の二モード光子もつれ状態を生成可能か？
• RQ2 所望の固定光子数もつれ状態を生成するための最適なビームスプリッタ操作と条件付き検出の順序は何か？
• RQ3 生成対象のもつれ状態における光子数の増加に伴い、成功確率はどのようにスケーリングするか？
• RQ4 高光子数もつれ状態の生成において、既存のプロトコルを上回る成功確率を達成できるか？
• RQ5 検出器感度や光子源要件などの実験的制約は、この手法の実現可能性をどのように制限するか？

主な発見

• 本手法により、ビームスプリッタと条件付きゼロ光子検出のみを用いて、任意の二モードもつれ状態 $\Psi = \sum_{n=0}^{N} C_n |n\rangle_1 |N-n\rangle_2 $ を決定的に生成可能である。
• 最大もつれ四光子状態 $\Psi = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_1|4\rangle_2 - |4\rangle_1|0\rangle_2 $ を生成する成功確率は 1/16 である。
• この成功確率は、同じ状態を生成するための参考文献 [20] の手法（成功確率 3/64）を上回る。
• 状態係数から導出される特徴多項式の根に基づく再帰的定義により、原理的にはスケーラブルである。
• 真空状態と1光子以上の状態を区別可能な高効率の光子数分解検出器が必須である。
• 適切なビームスプリッタパラメータと検出条件を選択した場合、出力状態が目的の状態と一致することを示すことで、理論的枠組みの妥当性が検証された。