[論文レビュー] Observation of nonlocal quantum interference between the origins of a four-photon state in a silicon chip

Lan‐Tian Feng, Ming Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、シリコンフォトニクスチップ上に統合された4つのスパイラル波ガイドを用いて、4光子状態の2つの異なる空間的発生源間で非局所的量子干渉を実証した。位相を調整することで、4光子状態の干渉的抑制と再生が達成され、明示的なもつれを必要としない非局所的効果が明らかになった。これは、量子非局所性および統合量子技術分野における新たなプラットフォームを示している。

ABSTRACT

Quantum mechanically, multiple particles can jointly be in a coherent superposition of two or more different states at the same time. This property is called quantum entanglement, and gives rise to characteristic nonlocal interference and stays at the heart of quantum information process. Here, rather than interference of different intrinsic properties of particles, we experimentally demonstrated coherent superposition of two different birthplaces of a four-photon state. The quantum state is created in four probabilistic photon-pair sources, two combinations of which can create photon quadruplets. Coherent elimination and revival of distributed 4-photons can be fully controlled by tuning a phase. The stringent coherence requirements are met by using a silicon-based integrated photonic chip that contains four spiral waveguides for producing photon pairs via spontaneous four-wave mixing. The experiment gives rise to peculiar nonlocal phenomena without any obvious involvement of entanglement. Besides several potential applications that exploit the new on-chip technology, it opens up the possibility for fundamental studies on nonlocality with spatially separated locations.

研究の動機と目的

• 4光子状態の空間的に分離した発生源の量子重ね合わせに起因する非局所的量子現象を調査すること。
• コンactで統合されたフォトニクスプラットフォーム上で位相調整を用いて4光子状態の生成を制御することを実証すること。
• 従来のもつれに基づくメカニズムに依存しない非局所的干渉効果を調査すること。
• 高コherenceを維持する多光子量子状態を生成・制御可能なスケーラブルなオンチップソリューションを開発すること。

提案手法

• 4つのスパイラル波ガイドを有するシリコンベースの統合フォトニクスチップを用い、確率的光子対生成のための自発的4波混合を実現した。
• 2つの独立した光子対発生源ペアを設計し、2つの異なる発生源組み合わせにより4光子状態を生成した。
• 2つの発生源パスウェイ間の干渉をコherentに制御するため、チップ全体に精密な位相制御を実装した。
• 位相調整に応じた出力状態の分布を測定し、4光子状態の干渉的抑制と再生を観測した。
• 統合波ガイド構造の高い安定性と低損失性により、きびしいコherence要件を満たした。
• 干渉パターンを用いて、同一量子状態の空間的に分離した発生源に起因する非局所的量子行動を調べた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もつれに依存せずに、4光子状態の2つの異なる空間的発生源間で非局所的量子干渉を観測できるか？
• RQ2 統合フォトニクスプラットフォーム上で、位相調整によって4光子状態の生成をどの程度コherentに制御できるか？
• RQ3 多光子量子状態において、発生源位置のコherent重ね合わせの顕著な兆候は何か？
• RQ4 統合シリコンチップアーキテクチャは、このような非局所的量子効果に必要なきびしいコherence要件をどのように満たしているか？

主な発見

• 2つの発生源パスウェイ間の相対位相を調整することで、4光子状態の干渉的抑制と再生が実験的に観測された。
• 干渉パターンは明確な非局所的行動を示し、結果が空間的に分離した発生源間の位相差に依存することを示した。
• 干渉縞に高い可視度が観測され、異なる発生場所間の重ね合わせのコherenceが確認された。
• 状態の構築において明示的なもつれが存在しないため、非局所的量子効果のための新たなメカニズムが浮き彫りになった。
• シリコンフォトニクスチップは安定的で低損失の動作を実現し、この効果を観測する上で不可欠な精密な位相制御を可能にした。
• 本結果は、非局所性の基礎的研究および統合量子情報処理分野における新たな道筋を示した。