[論文レビュー] Single-photon entanglement generation by wavefront shaping in a multiple-scattering medium

Hugo Defienne, Marco Barbieri+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2014

Random lasers and scattering media参考文献 31被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、多重散乱媒体における波front整形を用いて、空間モードをまたがる1光子もつれ状態の制御された生成を示している。散乱行列を完全に特徴付けたことで、著者らは入射光子の波frontを整形し、特定の出力モードに干渉的に誘導することができ、実験的に確認されたもつれの濃度下限は (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵ であり、わずかな一致計数にもかかわらず99%の信頼度で非ゼロのもつれが確認された。

ABSTRACT

We demonstrate the control of entanglement of a single photon between several spatial modes propagating through a strongly scattering medium. Measurement of the scattering matrix allows the wavefront of the photon to be shaped to compensate the distortions induced by multiple scattering events. The photon can thus be directed coherently to a single or multi-mode output. Using this approach we show how entanglement across different modes can be manipulated despite the enormous wavefront disturbance caused by the scattering medium.

研究の動機と目的

• 量子情報処理のスケーラブルで高モード数なプラットフォームとして、多重散乱媒体の利用を検討すること。
• 多重散乱による波frontの歪みに直面しながらも、1光子の量子コherーを保持すること。
• 完全な散乱行列の知識を用いて、複数の空間モードにまたがる1光子状態の干渉的制御を実現すること。
• 不規則な媒体を通った後、1光子の2つの出力モード間のもつれを生成および検証すること。
• 干渉的またはフォトニクス格子に基づく手法の代替として、多モードもつれ状態を生成するスケーラブルな手法を確立すること。

提案手法

• 平均自由行程が1–2 µmのTiO₂ナノ粒子で構成される散乱媒体を用い、複雑な多重散乱を誘発した。
• 古典的明るい光源と空間光変調器（SLM）を用いて、入力波frontを制御することで、媒体の散乱行列（SM）を完全に特徴付けた。
• SMから導出された位相パターンに従ってSLMをプログラムし、陽性に発生した1光子の波frontを整形し、特定の出力モードに標的的に誘導した。
• 出力モードを光ファイバー分波器で合成し、単一光子干渉縞を測定した。可視度は 0.78 ± 0.04 であった。
• 三重一致検出を用いて量子状態トモグラフィーを実施し、出力状態の縮約密度行列を再構成した。
• 密度行列からもつれの尺度である濃度（concurrence）を計算し、もつれの程度を定量化した。その下限は (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵ であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多重散乱媒体における波front整形を用いて、複数の空間モードにまたがる1光子状態を干渉的に制御できるか？
• RQ2 非常に多モードな散乱環境において、量子コherー性ともつれはどの程度保持できるか？
• RQ3 反復的フィードバックを用いずに、1光子の2つの出力モード間のもつれを生成および検証できるか？
• RQ4 散乱媒体は、量子情報処理のためのスケーラブルで高次元のモード変換器として機能できるか？
• RQ5 1回の三重一致しか記録されていない場合、非ゼロのもつれの検出における信頼度はどの程度か？

主な発見

• 単一光子干渉縞の可視度は 0.78 ± 0.04 であった。これにより、光子の経路に対する干渉的制御が確認された。
• 出力状態の縮約密度行列は、対角成分 P₀₀ = 1 − 8.4 × 10⁻⁵、P₁₁ = 1/(1.1 × 10¹⁰)、非対角成分 |d| = (3.3 ± 0.6) × 10⁻⁵ で再構成された。
• 生成された状態の濃度は (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵ と計算され、もつれの厳密な下限が得られた。
• 3時間の取得期間中に1回の三重一致しか記録されていなかったが、濃度が正であるという信頼度は99%と推定され、非ゼロのもつれが確認された。
• 本システムは、完全なSMの知識に基づく波front整形を用いて、1光子が散乱媒体内で2つの空間モードに干渉的に分配可能であることを示した。
• 結果から、多重散乱媒体がNモードもつれ状態のスケーラブルな生成を可能にする可能性を示唆しており、最大で10⁴モードの実現が期待され、複雑な干渉的装置の代替となる可能性を示している。