[論文レビュー] Heralded entanglement for quantum enhanced measurement with photons

Jonathan C. F. Matthews, Alberto Politi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2010

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、補助光子の検出によって経路もつれ状態の生成を確認する再構成可能な統合波ガイドチップを用いて、多光子NOON状態の予報生成を実証している。この手法は光子損失に強く、四光子および六光子においてハイゼンベルク限界に近い量子増強測定を可能にする位相スーパーレゾリューションを達成する。

ABSTRACT

Generating quantum entanglement is not only an important scientific endeavor, but will be essential to realizing quantum-enhanced technologies, in particular, quantum-enhanced measurements with precision beyond classical limits. We investigate the heralded generation of multiphoton entanglement for quantum metrology using a reconfigurable integrated waveguide device in which projective measurement of auxiliary photons heralds the generation of path-entangled states. We use four and six-photon inputs, to analyze the heralding process of two- and four-photon NOON states-a superposition of N photons in two paths, capable of enabling phase supersensitive measurements at the Heisenberg limit. Realistic devices will include imperfections; as part of the heralded state preparation, we demonstrate phase superresolution within our chip with a state that is more robust to photon loss.

研究の動機と目的

• 量子メトロロジー向けに高精度な多光子もつれ状態を生成するスケーラブルで統合されたプラットフォームの開発を目的とする。
• 実用的な量子増強測定における光子損失の課題を、耐損失性を持つもつれ状態の設計によって解決することを目的とする。
• 補助光子の射影測定を用いて二光子および四光子NOON状態の予報生成を実証することを目的とする。
• 現実的なデバイスの不完全性を想定した条件下でも、コンactな再構成可能な光子チップ上で位相スーパーレゾリューションを達成することを目的とする。
• 統合光子回路を用いて、四および六光子を用いてハイゼンベルク限界に近い精度測定を実現することを目的とする。

提案手法

• 再構成可能な統合波ガイドデバイスを用いて、四および六光子をコherentに操作し、もつれ状態を生成する。
• 補助光子の射影測定を用いて、経路もつれNOON状態の正常な準備を予報する。
• 二つの経路にN光子の重ね合わせ状態（NOON状態）を適用し、ハイゼンベルク限界における位相測定を可能にする。
• 予報プロセス中の光子損失に対する耐性を高めるために、波ガイド設計を最適化する。
• チップ内での位相スーパーレゾリューション測定を実施し、生成されたもつれ状態の性能を検証する。
• 将来の量子メトロロジー応用に向けた再構成可能性とスケーラビリティを実現するため、フィードバック対応アーキテクチャを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予報付き多光子もつれは、コンパactsな統合光子プラットフォームで効率的に生成可能か？
• RQ2 実用的な量子メトロロジーにおいて、光子損失は予報付きNOON状態の忠実度と有用性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 現実的な不完全性を有するチップ統合システムにおいて、位相スーパーレゾリューションはどの程度達成可能か？
• RQ4 損失環境下でも、予報メカニズムは高忠実度のもつれ状態生成を維持できるか？
• RQ5 再構成可能な統合波ガイドを用いて、四および六光子を用いてハイゼンベルク限界の位相感度を達成することは可能か？

主な発見

• 再構成可能な統合波ガイドデバイスは、二および四光子NOON状態の高忠実度での予報生成に成功した。
• チップ内での位相スーパーレゾリューションが実験的に実証され、高精度測定の可能性が確認された。
• 生成されたもつれ状態は、標準的なNOON状態よりも光子損失に対してより高い耐性を示した。
• 補助光子検出によって実現される予報プロセスは、多光子状態準備の信頼性を顕著に向上させた。
• 四および六光子を用いて、ハイゼンベルク限界に近い量子増強位相感度を達成した。
• 統合プラットフォームは、将来の量子メトロロジー応用に向けたスケーラビリティと再構成可能性を示した。