[論文レビュー] Quantum computation in photonic crystals

Dimitris G. Angelakis, Marcelo F. Santos+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2004

Photonic Crystals and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、欠陥を有するフォトニック結晶内の光子を用い、スケーラブルな光学量子コンピューティングのための強い非線形相互作用を実現する手法を提案する。原子ドーピングされた線形欠陥鎖を介して光子を閉じ込めることで、単一および二量子ビットの量子ゲートを実装するのに十分な非線形性を達成する。これは、統合可能で現実的かつ実用的なフォトリック量子情報処理ネットワークのためのプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Quantum computers require technologies that offer both sufficient control over coherent quantum phenomena and minimal spurious interactions with the environment. We show, that photons confined to photonic crystals, and in particular to highly efficient waveguides formed from linear chains of defects doped with atoms can generate strong non-linear interactions which allow to implement both single and two qubit quantum gates. The simplicity of the gate switching mechanism, the experimental feasibility of fabricating two dimensional photonic crystal structures and integrability of this device with optoelectronics offers new interesting possibilities for optical quantum information processing networks.

研究の動機と目的

• 環境によるデ coherent 低下を最小限に抑えたコherentな量子制御を可能にするフォトニックプラットフォームの開発。
• 線形光学系における弱い光子-光子相互作用の課題に応じ、設計された欠陥を用いて非線形性を強化する。
• フォトニック結晶と欠陥波ガイドを用いた、ユニバーサル量子ゲートを実装するスケーラブルなアーキテクチャの実証。
• 実用的な量子情報ネットワークの実現を目的として、既存の光エレクトロニクス技術との統合を可能にする。

提案手法

• 原子をドーピングした欠陥の線形鎖を有するフォトニック結晶を用い、光子を高効率な波ガイドに閉じ込める。
• 原子ドーピング欠陥が誘発する強い非線形相互作用を活用し、有効な光子-光子相互作用を実現する。
• 局在モードを支持するように欠陥構造を設計し、光-物質結合と非線形性を強化する。
• 欠陥波ガイド系内での光子状態の制御的操作を通じて、量子ゲート操作を実装する。
• 実験的実現可能性を確保するため、2次元フォトニック結晶のプロセスと互換性を持つように設計する。
• 光エレクトロニクス部品とシステムを統合し、スケーラブルな量子情報処理を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子ドーピングされた欠陥波ガイドを有するフォトニック結晶は、量子ゲート操作に十分な非線形相互作用を生成できるか？
• RQ2 欠陥波ガイドにおける光子の閉じ込めは、スケーラブルかつ実験的に実現可能な方法で非線形効果をどのように強化できるか？
• RQ3 このフォトニックプラットフォームを用いて、単一および二量子ビットの量子ゲートをどの程度実装できるか？
• RQ4 このシステムは、既存の光エレクトロニクス技術と量子ネットワークでどの程度統合可能か？

主な発見

• 原子ドーピングにより、フォトニック結晶の欠陥波ガイドに閉じ込められた光子は、強い有効非線形相互作用を示す。
• 本システムは、光子状態の制御的操作を通じて、単一および二量子ビットの量子ゲートの実装をサポートする。
• ゲートスイッチング機構は単純であり、2次元フォトニック結晶のプロセスと互換性がある。
• 本プラットフォームは光エレクトロニクスと統合可能であり、スケーラブルな量子情報ネットワークにおける潜在的価値を高める。
• 本アプローチは、スケーラブルで、コherentで、デcoherentが少ない光学量子コンピューティングへの実現可能性のある道筋を提供する。