[論文レビュー] Quantum Photonic Interconnect

Jianwei Wang, Damien Bonneau+13 more|Bristol Research (University of Bristol)|Aug 13, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 6被引用数 36

ひとこと要約

本論文は、統合された2次元グレーティングカップラーを用いた経路-偏光変換により、2つの別々のシリコンフォトニクスチップ間で経路エンタングルド光子qubitを高精度に分配および操作する、高精度な量子フォトニクスインターフェースを実証している。システムはベル-CHSHパラメータS = 2.638 ± 0.039を達成し、チップ間で非局所的量子相関が確認された。偏光エンコーディングから変換された経路エンコーディング状態の状態fidelityは97.6%を超える。

ABSTRACT

Integrated photonics has enabled much progress towards quantum technologies. Many applications, including quantum communication, sensing, and distributed and cloud quantum computing, will require coherent photonic interconnection between separate chip-based sub-systems. Large-scale quantum computing systems and architectures may ultimately require quantum interconnects to enable scaling beyond the limits of a single wafer and towards "multi-chip" systems. However, coherently interconnecting separate chips is challenging due to the fragility of these quantum states and the demanding challenges of transmitting photons in at least two media within a single coherent system. Distribution and manipulation of qubit entanglement between multiple devices is one of the most stringent requirements of the interconnected system. Here, we report a quantum photonic interconnect demonstrating high-fidelity entanglement distribution and manipulation between two separate chips, implemented using state-of-the-art silicon photonics. Path-entangled states are generated and manipulated on-chip, and distributed between the chips by interconverting between path-encoding and polarisation-encoding. We use integrated state analysers to confirm a Bell-type violation of $S$=2.638+-0.039 between two chips. With improvements in loss, this quantum interconnect will provide new levels of flexible systems and architectures for quantum technologies.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子技術のための、別々のチップベース量子システム間でのコherentな接続を可能にすること。
• チップ間で異なるフォトニクスエンコーディング方式間を伝送および変換する過程で、高精度なエンタングルメントを維持する課題を克服すること。
• 別々のシリコンフォトニクスチップ間でフォトニクスqubitの分配および操作が可能な、完全に統合されたオンチップソリューションを実証すること。
• 実験的ベル-CHSH不等式の破りと状態トモグラフィーを通じて、インターフェースの性能を検証すること。

提案手法

• チップ-Aでスパイラル波ガイド単一光子源を用いて、経路エンタングルドベル状態を生成する。
• 10mの単モードファイバーを介した伝送のために、統合された2次元グレーティングカップラー（PPC）を用いてqubitを経路エンコーディングから偏光エンコーディングへコherentに変換する。
• 同じPPC構造を用いて、チップ-Bで偏光エンコーディングを再び経路エンコーディングへ逆変換する。
• 可変位相シフター（A(θAZ, θAY)およびB(θBZ, θBY)）を用いて両チップで任意の投影測定を実施し、相関係数を測定する。
• 標準的な式を用い、4つの測定設定を含む測定された一致率からベル-CHSHパラメータSを計算する。
• 状態トモグラフィーを実施し、経路エンコーディング状態の密度行列を再構築し、理想的な偏光エンコーディング状態と比較することで、状態fidelityを算出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合インターフェースを用いて、別々のシリコンフォトニクスチップ間で高精度なエンタングルメントを分配および保持できるか？
• RQ2 オンチップ部品を用いて、顕著な損失やデコherenceを伴わずに、経路エンコーディングと偏光エンコーディングをコherentに変換できるか？
• RQ3 ベル-CHSHパラメータSによって定量化されるように、インターフェースが量子相関をどの程度保持するか？
• RQ4 インターフェースを介した偏光エンコーディングから経路エンコーディングへの状態転送のfidelityはどの程度か？
• RQ5 システムは、チップ境界を越えて任意の単一qubit測定およびベル状態解析をサポートできるか？

主な発見

• システムはベル-CHSHパラメータS = 2.638 ± 0.039を達成し、古典的限界の2を超えており、チップ間で非局所的量子相関が確認された。
• 再構築された経路エンコーディング状態と理想的な偏光エンコーディング状態との間の状態fidelityは97.66%から99.46%の範囲にあり、高精度な状態転送が実証された。
• 経路-偏光変換器（PPC）のプロセスマトリクスが実験的に決定され、エンコーディング方式間のコherentな変換が確認された。
• 60秒間の一致測定において、誤り一致の差し引きを施した結果、|Φ⟩⁺および|Φ⟩⁻ベル状態の両方で安定的かつ統計的に有意な相関係数が得られた。
• 2次元グレーティングカップラーは、劣化を最小限に抑えながら、効果的な経路-偏光変換器として機能し、コherentな変換を可能にした。
• 結果は、マルチチップ量子システムに適した機能的でスケーラブルな量子フォトニクスインターフェースアーキテクチャを示している。