[論文レビュー] Schemes for generating W state of paths and W state of polarization photons

Bao‐Sen Shi, Akihisa Tomita|ArXiv.org|Aug 28, 2002

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、商業用マルチポート光ファイバーカプラと単一光子源のみを用いて、2種類のW状態を生成する2つの簡単で実験的に実現可能な手法を提案する：(1) 1つの光子を含む経路W状態を、対称的なN×Nトリッターを用いて100%の成功確率で生成する手法、および(2) 同じカプラを用いた後選別により得られる多重光子偏光W状態で、従来の手法よりも高い成功確率を達成する手法。これらの手法はスケーラブルであり、複雑なもつれ状態源や追加の光学素子を必要としない。

ABSTRACT

In this paper, we give two very simple schemes to produce two kinds of W states, one kind is path W state with one photon and the other is multiphoton photon polarization W state. These schemes just need a common commercial multiport fiber coupler and single photon sources, they are feasible by current technologies.

研究の動機と目的

• 量子情報処理の重要な資源たるW状態を、利用可能な光学部品のみを用いて実験的に実現可能で低複雑性の手法で生成すること。
• 特に多重光子偏光W状態の生成において、従来の線形光学的手法よりも高い成功確率とより単純なセットアップを実現すること。
• 1つの商業用マルチポート光ファイバーカプラと標準的な単一光子源が、任意のNモード経路W状態およびN光子偏光W状態を生成するのに十分であることを示すこと。
• 資源要件を最小限に抑えることで、量子トランスポート、テレクラーニング、デューブルコーディングなどの応用分野におけるW状態の実用的実装を可能にすること。
• 最大もつれ状態源や複雑な干渉計セットアップを不要にするという点で、既存の手法を一般化すること。

提案手法

• 対称的なN×Nマルチポート光ファイバーカプラ（トリッター）を用いて、1つの光子をN個の空間モードに一様に分配する干渉的分割を行い、ユニタリ変換により経路W状態を生成する。
• 変換はユニタリ行列Mで記述され、入力状態|10…0⟩が∑ₙ Mₙ₁|0…1…0⟩に写像され、1つの光子がNモードのいずれかに存在するフォック状態の重ね合わせが得られる。
• 多重光子偏光W状態の場合は、3つ以上の単一光子源が、特定の偏光状態（HまたはV）に準備された光子を同時にN×Nカプラに供給する。
• 出力ポートにそれぞれ1つの光子が存在する状態にのみ後選別を適用し、出力状態として所望のW状態を得る確率は|∑ₙ exp(iφₙ)|² / N²となる。
• 等しい複素位相（e^{i2π/3}, e^{i4π/3}）を持つ対称的トリッター行列Tを用いることで、すべての出力モードに均等な振幅分布が保証される。
• 本手法はスケーラブルである：任意のNモード経路W状態やN光子偏光W状態は、N×NカプラとN個の単一光子源を用いることで生成可能であり、それぞれ100%および1/N²の成功確率を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な光学部品のみを用いて、N個の空間モードに1つの光子が存在する経路W状態を100%の成功確率で生成できるか？
• RQ2 マルチポートカプラと単一光子源のみを用いて、従来の線形光学的手法よりも高い成功確率で多重光子偏光W状態を生成できるか？
• RQ3 最大もつれ状態源や複雑な干渉計セットアップを必要とせずに、任意のマルチモードまたは多重光子W状態を生成できるか？
• RQ4 対称的マルチポートカプラの使用が、W状態生成の忠実度および確率にどのように影響するか？
• RQ5 後選別を効果的に用いて、資源のオーバーヘッドを最小限に抑えながら、確率的に多重光子W状態を生成できるか？

主な発見

• 対称的なN×Nマルチポート光ファイバーカプラと単一光子源を用いて、N個の空間モードに1つの光子が存在する経路W状態が100%の成功確率で生成された。
• 3モードの経路W状態|W⟩ = 1/√3 (|100⟩ + |010⟩ + |001⟩) は、3×3トリッターと1つの入力ポートに光子を入射させることで、確率1で生成された。
• 3光子偏光W状態の場合は、1光子/出力ポートの構成にのみ後選別を適用した場合、成功確率が1/9に達し、参照文献[15]の2/27を上回った。
• 4光子W状態|W⟩ = 1/2 (|HHHV⟩ + |HHVH⟩ + |HVHH⟩ + |VHHH⟩) は、4×4カプラを用い、後選別を適用することで1/16の成功確率で生成された。
• 本手法はスケーラブルである：同じセットアップを用いて、原理的に任意のNモード経路W状態およびN光子偏光W状態が生成可能であり、それぞれ1および1/N²の成功確率を達成する。
• 本手法は、追加のもつれ状態源や複雑な光学素子を不要とし、従来の手法と比較して著しく単純かつ実用的である。