[論文レビュー] Production and applications of non-Gaussian quantum states of light

A. I. Lvovsky, Philippe Grangier+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 15被引用数 29

ひとこと要約

本レビューでは、連続変数技術を用いて光の非ガウス量子状態の生成と応用を体系的に検討し、光子削除、条件付きホモダイン検出、量子トモグラフィーなどの手法に焦点を当てる。非ガウス状態がユニバーサルな量子情報処理に不可欠であることが示され、実験的に実現可能で特徴付け可能であり、量子通信や量子計算分野における高度なプロトコルの実現を可能にする。

ABSTRACT

This review covers recent theoretical and experimental efforts to extend the application of the continuous-variable quantum technology of light beyond "Gaussian" quantum states, such as coherent and squeezed states, into the domain of "non-Gaussian" states with negative Wigner functions. Starting with basic Gaussian nonclassicality associated with single- and two-mode vacuum states produced by means of parametric down-conversion and applying a set of standard tools, such as linear interferometry, coherent state injection, and conditional homodyne and photon number measurements, one can implement a large variety of optical states and processes that are relevant in fundamental quantum physics as well as quantum optical information processing. We present a systematic review of these methods, paying attention to both fundamental and practical aspects of their implementation, as well as a comprehensive overview of the results achieved therewith.

研究の動機と目的

• コherent状態やスケーリング状態などのガウス状態を超えた、非ガウス量子状態の光の生成に関する理論的・実験的進展を包括的に概説すること。
• 負のウィグナーデータ関数を有する非ガウス状態の生成を可能にする主な技術——条件付き測定、光子数計数、ホモダイン検出——を特定・分析すること。
• 特に量子通信および線形光的量子計算の文脈において、これらの手法の性能とスケーラビリティを評価すること。
• 非ガウス状態の決定的で高効率かつ高忠実度の準備に直面する課題を強調し、それらを克服するための進展を評価すること。

提案手法

• 非ガウス状態工学の出発点として、パラメトリックダウンコンバージョンを用いて単一および二モードのスケーリング真空状態を生成する。
• 光子数測定と条件付きホモダイン検出を用いて、シュレーディンガーの猫状態やフォック状態などの非ガウス状態を射影的に準備する。
• ホモダイン検出を用いた量子トモグラフィーにより、非ガウス状態の密度行列を再構成し、その非古典的性質を完全に特徴付ける。
• 線形干渉計とコherent状態のインジェクションを組み合わせることで、連続変数フレームワーク内での任意の重ね合わせ状態およびエンタングルド状態を実装する。
• 光子統合プラットフォームとマイクロレゾネーターを統合し、光-物質結合を強化し、非ガウス状態生成の効率と安定性を向上させる。
• 離散的および連続的変数量子系を接続するため、原子メモリとマイクロ波-光変換器を組み合わせたハイブリッド手法を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続変数技術を用いて、非ガウス量子状態の光を決定的かつ効率的に生成する方法は何か？
• RQ2 光子削除や条件付き測定などの現在の非ガウス状態生成手法の根本的および実用的限界は何か？
• RQ3 特に負のウィグナーデータ関数を有する状態に対して、量子トモグラフィーは密度行列の完全な再構成をどれほど正確に行えるか？
• RQ4 非ガウス状態は、ガウス状態のみで可能となる範囲を超えて、どのようにユニバーサルな量子情報処理タスクを可能にするか？
• RQ5 統合光子プラットフォームにおけるスケーラブルな非ガウス状態源のための主要な性能指標（明るさ、同一性、効率性）は何か？

主な発見

• シュレーディンガーの猫状態やフォック状態などの非ガウス状態が、スケーリング真空状態からの光子削除および条件付きホモダイン測定を用いて実験的に生成された。
• ホモダイン検出に基づく量子トモグラフィーにより、非ガウス状態の完全な再構成が可能になり、負のウィグナーデータ関数の確認が可能となった。
• ハーレッド単一光子状態および光子追加・削除されたスケーリング状態が高忠実度で実証され、量子トランスポートやエンタングルメントの精錬に応用可能となった。
• 統合光子プラットフォームとマイクロレゾネーターにより、非ガウス状態生成および検出の効率と安定性が顕著に向上した。
• 原子レーディング状態および固体量子ドット系を用いた非ガウス状態の決定的ソースが、高明るさ、反バッチング、同一性を達成し、実用的スケーラビリティに近づいた。
• 原子メモリと光モードを組み合わせたハイブリッド系により、効率的な量子状態転送と保存が可能となり、ハーレッド状態で負のウィグナーデータ関数が観測された。