[論文レビュー] Quantum Tomography of Inductively-Created Large Multiphoton States

E. Megidish, Ayelet Halevy+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、誘導的融合を用いて生成される大規模な多光子グリーンバーガー＝ホーン＝ゼーリンジャー（GHZ）状態を完全に特徴付けるリソース効率の良い手法を提示する。実験的に二光子源と融合過程のトモグラフィーを実施し、最大12光子のGHZ状態の完全な密度行列を計算した。4光子状態では85.4%の保証を達成し、10光子まで真正の多光子もつれが維持され、50%以上の保証を示した。

ABSTRACT

The generation of quantum entangled states of many particles is a central goal of quantum information science. Characterizing such states is a complex task that demands exponentially large resources as particles are being added. Previously, we demonstrated a resource efficient source that can generate, in principal, entanglement between any number of photons. This source recursively fuse photon pairs generated by a pulsed laser into a multiphoton entangled state. In the current work, we perform quantum state tomography on the photon pair source and quantum process tomography on the fusion operation. As a result, the full quantum Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state of any number of photons can be calculated. We explore the prospects of our scheme and calculate nonlocality and genuine extit{N}-photon entanglement thresholds for states with up to twelve photons.

研究の動機と目的

• 大規模な多光子もつれ状態に対して標準的量子状態トモグラフィーの指数的リソーススケーリングを克服すること。
• 全状態の直接的実験的測定を必要とせずに、高光子数のGHZ状態を完全に特徴付けること。
• 大規模な多光子系における真正のN光子もつれと非局所性を検証すること。
• 現在の実験的限界を超える多光子もつれ状態の生成と特徴付けの可能性を実証すること。

提案手法

• 二光子もつれ源の量子状態トモグラフィー（QST）を実施し、その密度行列を再構築する。
• 二光子融合操作の量子過程トモグラフィー（QPT）を実施し、過程行列を再構築する。
• 実験的に特徴付けられた二光子状態と融合過程を用いて、生成可能な任意のGHZ状態の完全な密度行列を解析的に計算する。
• 最大尤度推定とブートストラップ・モンテカルロ・シミュレーションを用いて、再構築状態の誤差と保証を評価する。
• メルミンとŻukowskiのベル不等式を用いて非局所性の閾値を計算し、局所実在主義の破れを評価する。
• 時間遅延と偏光ビームスプリッターを用いて、光子対の逐次的融合によりより大きなもつれ状態を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全状態の直接的実験的測定なしに、大規模な多光子GHZ状態の完全な密度行列を計算できるか？
• RQ2 光子数が増加するにつれて再構築されたGHZ状態の保証は何か？また、真正のN光子もつれに必要な閾値を超えるか？
• RQ3 系はどの程度局所実在主義を破るのか？また、光子数に応じてその破れはどのようにスケーリングするか？
• RQ4 光子の区別可能性や偏光誤差などの実験的不完全要因が、再構築状態の保証にどのように影響するか？
• RQ5 低検出率にもかかわらず、融合過程を用いて10光子を超える状態を生成・特徴付けられるか？

主な発見

• 源と融合過程から再構築された4光子GHZ状態は、理想状態と(85.4 ± 0.2)%の保証を達成した。
• 6光子GHZ状態は理想状態と(74.3 ± 0.4)%の保証を示し、GHZ様の相関が確認された。
• 真正の多光子もつれは10光子まで確認され、真のN光子もつれに必要な50%の閾値を超えていた。
• 12光子状態の保証は(49.3 ± 0.65)%であり、50%の閾値をわずかに下回っており、近閾値性能であることが示された。
• すべての光子が|p/m⟩基底で測定された場合の干渉可視度は、メルミンとŻukowskiの非局所性閾値を超えており、研究された全光子数において局所実在主義の破れが確認された。
• 本手法により、標準的量子状態トモグラフィーの指数的リソーススケーリングを回避し、二光子トモグラフィーのみで12光子までのGHZ状態を完全に特徴付けることが可能になった。