[論文レビュー] Reconfigurable synthesizer for quantum information processing of high-dimensional entangled photons

Ohad Lib, Kfir Sulimany+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、高次元のエンタングルド光子の量子情報処理を目的として、マルチプレーン光変換（MPLC）に基づく再構成可能光プロセッサを提案する。MPLCが数100の空間モードを制御できる能力を活用し、著者らは同一のハードウェア上で4つの主要な量子タスク—エンタングルメントの認証、特化した二光子干渉、任意の状態変換、モード変換—を実現した。これにより、将来的な量子技術のためのスケーラブルで柔軟なプラットフォームとしてMPLCの有効性が確立された。

ABSTRACT

High-dimensional entangled photons are a key resource for advanced quantum information processing. Efficient processing of high-dimensional entangled photons requires the ability to synthesize their state using general unitary transformations. The leading technology for processing photons in high-dimensions is integrated multiport interferometers. However, such devices are incompatible with free-space and fiber-based systems, and their architecture poses significant scaling challenges. Here we unlock these limitations by demonstrating a reconfigurable processor of entangled photons that is based on multi-plane light conversion (MPLC), a technology that was recently developed for multiplexing hundreds of spatial modes for classical free-space and fiber communication. To demonstrate the flexibility of MPLC, we perform four key tasks of quantum information processing using the same MPLC hardware: entanglement certification, tailored two-photon interference, arbitrary state transformations, and mode conversion. Based on the high degree of control we obtain, we expect MPLC will become a leading platform for future quantum technologies.

研究の動機と目的

• 統合マルチポート干渉計の制限を克服する。これらは、フリースペースおよびファイバーシステムと互換性がなく、スケーリングの課題を抱える。
• 高度な量子情報タスクに適した、効率的で再構成可能な高次元エンタングルド光子の処理を実現する。
• MPLC技術—元々古典的通信用途で開発されたもの—が、量子フォトニクス処理の実用的プラットフォームとして機能できることを示す。
• 1つのデバイスアーキテクチャを用いて、高次元フォトン状態に対する柔軟でハードウェア再構成可能な制御を実現する。
• 将来の量子技術が要求する、高次元量子状態における複雑なユニタリ変換を実現するスケーラブルで統合可能なソリューションを確立する。

提案手法

• 空間多重技術としてのマルチプレーン光変換（MPLC）を用い、フリースペースおよびファイバーベースシステムで数100の空間モードを制御する。
• MPLCに基づく再構成可能な光学セットアップを実装し、高次元フォトン状態における一般ユニタリ変換を実行する。
• 複数の平面に跨る複数波面の位相および振幅制御を活用し、任意の量子状態を合成する。
• 物理的再構成なしに、1つのMPLCデバイスで4つの異なる量子情報タスクを実行する。
• MPLCプロセッサを用いて、高精度で高次元エンタングルド光子状態を生成・操作する。
• 量子状態トモグラフィー、干渉測定、状態変換プロトコルを通じて、プロセッサの機能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPLC技術は、フリースペースおよびファイバーシステムにおける再構成可能で高次元の量子状態処理に適応可能か？
• RQ2 1つのMPLCベースのデバイスが、エンタングルメントの認証や特化した二光子干渉といった多様な量子情報タスクをどの程度実行可能か？
• RQ3 MPLCのスケーラビリティおよび制御精度は、高次元フォトニクスにおける統合マルチポート干渉計と比較してどの程度か？
• RQ4 MPLCは、実験的精度で高次元フォトン状態に対して任意のユニタリ変換を実現可能か？
• RQ5 MPLCは、将来的な大規模な高次元系量子情報処理に実用的プラットフォームとして有効か？

主な発見

• MPLCベースのプロセッサは、同一のハードウェアを用いて高次元フォトン状態のエンタングルメント認証を成功裏に実行した。
• 高い可視度とプログラマブルな位相制御を達成した特化した二光子干渉により、正確な量子干渉制御が実証された。
• 任意のユニタリ変換が高次元状態に実装され、デバイスが一般量子状態操作の能力を有することを確認した。
• 異なる空間モード間のモード変換が高精度で達成され、プロセッサの再構成可能性が示された。
• 同じMPLCハードウェアが物理的再構成なしに4つの量子タスクをすべて実行した。これにより、柔軟性と再プログラミング性が実証された。
• 本結果により、MPLCは将来の高次元量子情報処理のためのスケーラブルで再構成可能なプラットフォームであることが確立された。