[論文レビュー] Protecting Quantum Superposition and Entanglement with Photonic Higher-Order Topological Crystalline Insulator

Yao Wang, Biye Xie+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フェムト秒レーザー直接加工により作製された光子的高次位相的結晶性絶縁体が、拡散誘発デコherenceから単一光子量子重ね合わせ状態およびエンタングルド光子状態を保護することを実験的に示している。$C_4$および$C_2$対称性を持つ格子を設計し、単一光子イメージングを用いることで、量子コherーに保たれる位相的保護されたコーナー状態が明らかになった。これにより、量子情報システムにおける位相的保護の強固なメカニズムが確立された。

ABSTRACT

Higher-order topological insulator, as a newly found non-trivial material and structure, possesses a topological phase beyond the bulk-boundary correspondence. Here, we present an experimental observation of photonic higher-order topological crystalline insulator and its topological protection to quantum superposition and entanglement in a two-dimensional lattice. By freely writing the insulator structure with femtosecond laser and directly measuring evolution dynamics with single-photon imaging techniques, we are able to observe the distinct features of the topological corner states in C_4 and C_2 photonic lattice symmetry. Especially, we propose and experimentally identify the topological corner states by exciting the photonic lattice with single-photon superposition state, and we examine the protection impact of topology on quantum entanglement for entangled photon states. The single-photon dynamics and the protected entanglement reveal an intrinsic topological protection mechanism isolating multi-partite quantum states from diffusion-induced decoherence. The higher-order topological crystalline insulator, built-in superposition state generation, heralded single-photon imaging and quantum entanglement demonstrated here link topology, material, and quantum physics, opening the door to wide investigations of higher-order topology and applications of topological enhancement in genuine quantum regime.

研究の動機と目的

• 光子的格子における高次位相的結晶性絶縁体が、量子重ね合わせおよびエンタングルメントをどのように保護するかを調査すること。
• 2次元光子的格子において$C_4$および$C_2$対称性を有する位相的コーナーステートを実験的に実現および特徴づけること。
• 位相的保護フレームワーク内での拡散誘発デコherenceに対して、量子状態の頑健性を示すこと。
• 光子的量子系における位相的不変量、結晶対称性、および量子コherーにの直接的な関係を確立すること。

提案手法

• フェムト秒レーザー直接加工を用いて、$8\times8$格子点を持つ2次元光子的波ガイド格子を形成し、格子幾何学的形状および位相的性質を精密に制御した。
• 量子重ね合わせ状態を介した単一光子注入により、格子内における量子重ね合わせのダイナミクスを調査した。
• ハリュード単一光子イメージング技術を用いて光子分布および戻り確率を測定し、量子状態の時間発展をマッピングした。
• 非対称結合を有するタイトビンディングハミルトニアンに基づく理論的モデリングを用い、系を記述した。位相的不変量は、充填異常および対称性保護から導出された。
• 対称性解析を実施し、$C_4$および$C_2$位相的相を区別した。これにより、コーナーステートの degeneracy および位相的不変量における差が明らかになった。
• 非エルミート的摂動を導入して頑健性をテストした。その結果、小さな非エルミート的局在ポテンシャル下でも、コーナーステートのエネルギーはほぼ実数であり、系サイズが増加しても指数的に安定しており、位相的保護が維持された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子的高次位相的結晶性絶縁体は、拡散誘発デコherenceから単一光子重ね合わせ状態を保護できるか？
• RQ2 結晶対称性（$C_4$ 対 $C_2$）は、光子的格子におけるコーナーステートの形成および位相的保護にどのように影響を与えるか？
• RQ3 位相的コーナーステートは、多粒子光子系において、どの程度量子もつれを保持するか？
• RQ4 キラル対称性およびバルク極化は、光子的格子における位相的に保護されたゼロ次元状態を安定化するために果たす役割は何か？
• RQ5 本系における位相的保護は、四極子絶縁体や全ダイエレクトリック光子的結晶と比較して、どのように異なるか？

主な発見

• $C_4$対称性格子で観測された実験的コーナーステートは非 degenerate であり、初期重ね合わせ状態の相対位相を保持しており、時間発展に伴い複数のコーナーに光子が分布することを可能にした。
• $C_2$対称性格子では、コーナーステートは依然として位相的に保護されており、$C_4$対称性系とは異なる明確な位相的不変量を示した。これにより、対称性依存の位相的相が確認された。
• 30 mm の伝搬距離にわたり、初期のコーナーステートへの戻り確率が高く維持された。これは、不規則性および拡散に対して強い頑健性を示している。
• エンタングルド光子状態が格子に注入されても、量子相関が保持された。これにより、多粒子もつれの位相的保護が実証された。
• コーナーステートは、境界状態およびバルク状態から分離された、連続体中の束縛状態（BIC）としての性質を示し、小さな摂動下でも孤立したままであった。これにより、キラル対称性および$C_4$/$C_2$対称性による位相的保護が確認された。
• 非エルミート的局在ポテンシャルが導入されても、コーナーステートは局在化せず、エネルギーはほぼ実数であり、系サイズが増加するに従い指数的に安定した。これにより、位相的頑健性が裏付けられた。