[論文レビュー] Quantifying n-photon indistinguishability with a cyclic integrated interferometer

Mathias Pont, Riccardo Albiero+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、2nモードのスケーラブルで低深さのサイクリックなマルチポート干渉計を提案し、光量子系における真のn光子の不揃い性を直接測定する。n個の光子を入射し、内部位相の関数として量子干渉縞の可視度を測定することで、不揃い性の直接的かつ実験的にアクセス可能な指標が得られる。フェムト秒レーザー微細加工で作製された8モードの統合干渉計を用いて4光子で実証され、測定された不揃い性は0.81 ± 0.03であった。

ABSTRACT

We report on a universal method to measure the genuine indistinguishability of n-photons - a crucial parameter that determines the accuracy of optical quantum computing. Our approach relies on a low-depth cyclic multiport interferometer with N = 2n modes, leading to a quantum interference fringe whose visibility is a direct measurement of the genuine n-photon indistinguishability. We experimentally demonstrate this technique for a 8-mode integrated interferometer fabricated using femtosecond laser micromachining and four photons from a quantum dot single-photon source. We measure a four-photon indistinguishability up to 0.81$\pm$0.03. This value decreases as we intentionally alter the photon pairwise indistinguishability. The low-depth and low-loss multiport interferometer design provides an efficient and scalable path to evaluate the genuine indistinguishability of resource states of increasing photon number.

研究の動機と目的

• 光量子計算のための主要な資源である真のn光子不揃い性を測定する普遍的でスケーラブルな手法の開発。
• 2光子間のHOM干渉測定や既存の境界条件に起因する制限を克服し、多光子不揃い性を完全に特徴づけない問題の解決。
• 抑制則や見せかけの指標に依存せず、直接的かつ定量的な不揃い性測定が可能な、低深さ・低損失の干渉計アーキテクチャの設計。
• 量子ドット単一光子源を用いた統合8モード干渉計を用いて、4光子状態においてこの手法を実験的に検証すること。

提案手法

• N = 2nモードのサイクリックなマルチポート干渉計を採用し、ビームスプリッタの層は2層のみで、nに依存しない低光学的深さを実現。
• 干渉計の内部位相α₁を調整することで、真のn光子不揃い性に比例する可視度を持つ量子干渉縞を生成。
• 出力確率分布をα₁の関数としてモデル化し、縞の可視度から係数c₁を抽出。c₁ = 0は完全に区別可能な光子、c₁ = 1は完全に不揃いな光子に対応。
• 方向性結合器の透過率のずれ、損失、不均衡な検出感度といった実験的不確実要因を、キャリブレーション済みパラメータを用いてモデル化・補正し、精度を向上。
• 密度行列展開を用いて完全な量子状態をシミュレートし、2光子間の重なりM_ijとg^(2)(0)を組み込み、多光子発光と部分的不揃い性を考慮。
• 数値的シミュレーションにより、予測されたc₁値と実験データを比較し、多光子発光、DC不具合、検出不均衡の補正後、良好な一致を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真のn光子不揃い性を直接測定可能な、スケーラブルで低深さの干渉計アーキテクチャを設計可能か？
• RQ2 サイクリックなマルチポート干渉計における量子干渉縞の可視度は、真のn光子不揃い性とどのように関係するか？
• RQ3 多光子発光、方向性結合器のずれ、検出非効率性といった実験的不確実要因が、不揃い性測定に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 この手法はn > 2、特に4光子状態において実験的に検証可能か？

主な発見

• フェムト秒レーザー微細加工で作製された8モードの統合干渉計を用いて、実験的に測定された4光子不揃い性は0.81 ± 0.03であった。
• 2光子間の不揃い性を意図的に低下させた場合、不揃い性が減少することが確認され、本手法が真の多光子干渉性に感受性であることを裏付けた。
• 数値的シミュレーションでは、主な誤差要因は多光子発光（c₁誤差に約0.07寄与）であり、方向性結合器の不具合や検出不均衡はそれぞれ約0.001ずつ寄与した。
• 補正済みのc₁^mod = 0.590 ± 0.005の予測値は、実験測定値c₁ = 0.61 ± 0.01と一致し、理論モデルの妥当性を検証した。
• 本手法は真のn光子不揃い性を的確に分離・定量し、2光子HOM測定や抑制則に基づく見せかけの指標の制限を回避できた。
• 低深さ（2層）の設計によりスケーラビリティが確保され、より大きな光子資源状態の不揃い性評価に適している。