[論文レビュー] Heralded three-photon entanglement from a single-photon source on a photonic chip

Si Chen, Lichao Peng+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、半導体量子ドット光源から得られる6つの同一の単一光子を用い、完全にプログラマブルな光子チップを用いて、ヘルド・3光子グリーナーバーガー・ホーン・ゼーリング（GHZ）状態を実験的に初めて生成した。デターミニスティックな単一光子源と位相可調式マハラノビス干渉計を備えたユニタリー光回路を用いることで、3-GHZ状態のfidelityが $0.573 \pm 0.024$ に達し、古典的閾値を大きく上回り、スケーラブルで故障耐性のある光子量子計算の重要なマイルストーンを達成した。

ABSTRACT

In the quest to build general-purpose photonic quantum computers, fusion-based quantum computation has risen to prominence as a promising strategy. This model allows a ballistic construction of large cluster states which are universal for quantum computation, in a scalable and loss-tolerant way without feed-forward, by fusing many small n-photon entangled resource states. However, a key obstacle to this architecture lies in efficiently generating the required essential resource states on photonic chips. One such critical seed state that has not yet been achieved is the heralded three-photon Greenberger-Horne-Zeilinger (3-GHZ) state. Here, we address this elementary resource gap, by reporting the first experimental realization of a heralded dual-rail encoded 3-GHZ state. Our implementation employs a low-loss and fully programmable photonic chip that manipulates six indistinguishable single photons of wavelengths in the telecommunication regime. Conditional on the heralding detection, we obtain the desired 3-GHZ state with a fidelity 0.573+-0.024. Our work marks an important step for the future fault-tolerant photonic quantum computing, leading to the acceleration of building a large-scale optical quantum computer.

研究の動機と目的

• 融合ベース量子計算に不可欠な高精度でヘルドされた3光子GHZ状態を生成するという、重要なギャップを埋めること。
• 統合光子チップを用いたスケーラブルで損失に強い光子量子計算アーキテクチャを示すこと。
• 自己発生的パラメトリックダウンコンersionのような確率的光源の制限を克服し、デターミニスティックな量子ドット単一光子源を用いること。
• ヘルドを介した近似的な決定的準備により、マルチ光子もつれ状態を実現し、故障耐性のある量子計算を可能とすること。

提案手法

• オープンマイクロキャビティに埋め込まれた半導体量子ドットに基づく高純度で長距離通信帯域の単一光子源を用いた。
• 光子を低損失伝送とファイバーネットワークとの互換性を考慮して通信帯域に変換するための量子周波数変換器を採用した。
• 1つの光源から6つの同一の単一光子源を生成するためのデターミニスティック光子デマルチプレクシングを実装した。
• 12個のビームスプリッター（透過率 1/2, 1/4, 2/3）と2つのπ位相シフト素子を備えた完全にプログラマブルな光子チップを用い、3-GHZ状態生成のユニタリー変換を実装した。
• 出力モード4つ（7–10）におけるヘルド検出を用いて、状態準備の成功を確認し、位相可調式マハラノビス干渉計により完全なトモグラフィー的特徴付けを実現した。
• 局所的射影測定を複数の基底で行い、密度行列を再構成し、fidelityとコherenceを計算するための量子状態トモグラフィーを実施した。

Figure 1: The heralded generation scheme for a 3-GHZ state. Six single photons are prepared at the input ports of a linear optical circuit, where we can describe the initial input quantum state as $\lvert{\psi_{in}}\rangle=\lvert{1011010110}\rangle$ with 0 and 1 being the number of photons in each m

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デターミニスティック単一光子源を用いた光子チップ上でのヘルド3光子GHZ状態を実験的に実現できるか？
• RQ2 6つの同一の光子を用いてプログラマブルな線形光学回路で生成されたヘルド3-GHZ状態の達成可能なfidelityはどの程度か？
• RQ3 ヘルド効率とスケーラビリティの観点から、従来の光源（例：自己発生的パラメトリックダウンコンERSION）と比較して、量子ドットベースの単一光子源はどのように性能を発揮するか？
• RQ4 現在の光子統合技術と光源技術を用いて、ヘルド効率をどの程度まで向上させられるか？
• RQ5 提示された手法が、融合ベース量子計算のスケーラブルで故障耐性のある基盤として機能できるか？

主な発見

• 実験では、3-GHZ状態のfidelityが $0.573 \pm 0.024$ に達し、古典的閾値0.5を3標準偏差以上上回った。
• 3キュービットGHZ状態のコherenctは $C = 0.389 \pm 0.040$ と測定され、強い量子相関が確認された。
• 計算基底状態 $|000\rangle_d$ と $|111\rangle_d$ の占有率は $P = 0.758 \pm 0.025$ と測定され、もつれ成分への高い占有率が示された。
• 単一光子源は優れた純度を示し、$g^{2}(0) = 0.026(6)$ であった。これは強い反相関を示している。
• 光子間の同一性は、ペア間で0.86から0.88の範囲で測定され、高いコherenceが確認された。
• 検出器の非効率性を補正した後、ヘルド効率は実験的に約 $0.0005$ に測定されたが、光源および回路効率の向上により、著しい改善が期待できる。

Figure 2: The experimental setup. A single InAs/GaAs quantum dot, resonantly coupled to an open microcavity, is used to produce pulsed resonance fluorescence single photons. The wavelength of these single photons in near-infrared is then converted into telecom-wavelength of 1550 nm with a quantum fr