[論文レビュー] Quantum Interference of Identical Photons from Remote Quantum Dots

Liang Zhai, Giang N. Nguyen+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、独立した半導体量子ドットから発生する同一光子を用いて、近似的に1に近い可視度の二光子干渉を実現し、大きなコherences課題を克服した。量子干渉を活用することで、著者らは高精度な光子制御NOT演算と、異なる光源からの光子間のもつれを実現し、スケーラブルな光子量子技術を可能にした。

ABSTRACT

Photonic quantum technology provides a viable route to quantum communication, quantum simulation, and quantum information processing. Recent progress has seen the realisation of boson sampling using 20 single-photons and quantum key distribution over hundreds of kilometres. Scaling the complexity requires photonic architectures containing a large number of single photons, multiple photon-sources and photon-counters. Semiconductor quantum dots are bright and fast sources of coherent single-photons. For applications, a significant roadblock is the poor quantum coherence upon interfering single photons created by independent quantum dots. Here, we demonstrate two-photon interference with near-unity visibility using photons from remote quantum dots. Exploiting the quantum interference, we demonstrate a photonic controlled-not circuit and a high-fidelity entanglement between photons of different origins. Our results provide a long-awaited solution to the challenge of creating coherent single-photons in a scalable way. In the near future, they point to a demonstration of quantum advantage using quantum-dot single photons and an implementation of device-independent quantum key distribution.

研究の動機と目的

• 独立した量子ドットから発生する光子を干渉させる際の低い量子コherencesの課題を克服すること。
• 遠く離れた光源からの光子間で高精度な干渉を達成することで、スケーラブルな光子量子技術を実現すること。
• 独立した量子ドットからの単一光子を用いて実用的な量子回路ともつれを実証すること。
• 量子ドットを基盤とする光子系を用いた、デバイスに依存しない量子鍵配送と量子優位性への道筋を築くこと。

提案手法

• 明るく、高速でコherentな単一光子源として半導体量子ドットを用いる。
• 遠く離れた量子ドット間で光子の同一性を保つために、精密なスペクトルおよび時間的フィルタリングを実装する。
• 高精度で二光子干渉可視度を測定するために、マハーズインテルフェアメータを用いる。
• 量子干渉を活用して、異なる起源の光子間で光子制御NOTゲートを実装する。
• 出力状態の量子状態トモグラフィーにより、高精度なもつれを検証する。
• デコherenceを最小限に抑え、干渉可視度を最大化するために、光源の同期とフィルタリングを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 独立的かつ遠く離れた量子ドットから発生する光子が、近似的に1に近い量子干渉可視度を達成できるか？
• RQ2 異なる量子ドットからの光子間の量子干渉が、高精度な量子論理演算を可能にするか？
• RQ3 異なる量子ドットから発生する光子間でもつれを生成し、検証することは可能か？
• RQ4 このアプローチにより、量子ドット源を用いたスケーラブルな光子量子情報処理が可能になるか？
• RQ5 この手法は、デバイスに依存しない量子鍵配送などの実用的応用をサポートするか？

主な発見

• 二光子干渉可視度が近似的に1に達し、遠く離れた量子ドットから発生する光子の高い同一性が実証された。
• 独立した量子ドットからの光子を用いて、光子制御NOTゲートが成功裏に実装された。
• 異なる起源の光子間で高精度なもつれが生成され、量子状態トモグラフィーにより確認された。
• この結果により、独立した光源からのコherent干渉を可能にすることで、スケーラブルな光子量子技術における主要なボトルネックが克服された。
• このアプローチにより、量子ドット単一光子を用いた量子優位性への道筋が開かれた。
• 研究結果は、このプラットフォームを用いたデバイスに依存しない量子鍵配送の実現可能性を支持する。