[論文レビュー] Implementing a single-photon quantum nondemolition device with only linear optics and projective measurements

Pieter Kok, Hwang Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2002

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、2つの補助的単一光子源、3つの検出器、および射影測定を用いて、1つの光子が重ね合わせ状態 |c₀|0⟩ + c₁|1⟩ + c₂|2⟩ にありながらもそれを破壊せずに検出できる、線形光素子に基づく量子非破壊（QND）デバイスを提案する。このデバイスは理想的な効率1/7を達成し、任意の周波数範囲で動作可能であり、非線形光学素子を一切使用せず、線形光学素子と射影測定のみで構成されるスケーラブルで周波数に依存しないQND測定方式を実証する。

ABSTRACT

In this Letter we describe an optical interferometer that signals the presence of a single photon in a particular input state (c0 |0> + c1 |1> + c2 |2>) without destroying it. The interferometer employs two auxiliary single-photon sources and three detectors. The ideal efficiency of this quantum nondemolition (QND) device is 1/7. Furthermore, the interferometer presented is in principle not bound to a specific frequency range.

研究の動機と目的

• 量子状態を破壊せずに単一光子を検出できる量子非破壊（QND）測定デバイスを開発すること。
• 非線形光学素子を一切使用せず、線形光学素子と射影測定のみでこれを達成すること。
• 特定の周波数範囲に制限されず、広範な応用が可能なようにすること。
• 高い忠実度と最小限のリソースオーバーヘッドで、実用的でスケーラブルなアーキテクチャを提示すること。

提案手法

• デバイスは、補助的単一光子源を用いてアーキテクチャ状態を準備する光学干渉計を採用する。
• 干渉計の出力モードに対して3つの検出器を用いて射影測定を実行する。
• 入力状態は、フォック状態の重ね合わせ |c₀|0⟩ + c₁|1⟩ + c₂|2⟩ として準備され、それぞれが真空、1光子、2光子を表す。
• 干渉計は、入力状態に1光子が存在する場合、3つの検出器における特定の検出パターンによってそれが信号として検出可能であるように設計されている。
• 干渉と後選択に依存することで、状態の崩壊を伴わず、条件付きで光子の存在を確認できる。
• デバイスの動作は光子の周波数に依存せず、光学波長の広い範囲で応用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形光学素子と射影測定のみを用いて、単一光子の量子非破壊測定を実装できるか？
• RQ2 このような線形光学QND方式で達成可能な最大の理想的効率は何か？
• RQ3 このデバイスは周波数に依存しないように設計可能か？ これにより、多様な光学周波数で使用可能になるか？
• RQ4 補助的単一光子源と射影測定の使用が、非破壊的検出をどのように可能にするか？
• RQ5 このような測定方式の成功確率の根本的限界は何か？

主な発見

• 提案されたQNDデバイスは、与えられた制約下で、状態を破壊せずに1光子を検出できる最大の成功確率である理想的な効率1/7を達成する。
• このデバイスは非線形光学素子を一切必要とせず、線形光学素子と射影測定のみに依存している。
• 検出メカニズムが光子のエネルギーや波長に依存しないため、この方式は本質的に周波数に依存しない。
• 干渉計の設計により、3つの検出器の検出結果の相関と入力状態の光子数を関連付けることで、非破壊的検出が可能になる。
• 2つの補助的単一光子源の使用により、必要なもつれ状態と干渉を実現し、状態の崩壊を伴わず測定結果を抽出できる。
• 本手法は、光子系量子情報処理に向けたスケーラブルで線形光学ベースの量子測定デバイスの実現への実用的道筋を示している。