[論文レビュー] Taming Entanglement

Paul G. Kwiat, Joe Altepeter+4 more|ArXiv.org|Mar 7, 2003

Quantum Mechanics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、自己媒光パラメトリックダウンコンersion（SPDC）を用いて、任意の2キュービット量子状態を生成・特徴付ける、自動化され高精度な実験プラットフォームを提示する。可変なもつれ、局所的ユニタリ操作、およびコンピュータ制御の量子状態トモグラフィーを組み合わせることで、最大もつれ混合状態を含む偏光もつれ状態を、0.998を上回るfidelityで正確に制御可能である。

ABSTRACT

Using a spontaneous parametric-downconversion source of photon pairs, we are working towards the creation of arbitrary 2-qubit quantum states with high fidelity. Currently, all physically allowable combinations of polarization entanglement and mixture can be produced, including maximally-entangled mixed states. The states are experimentally measured and refined via computer-automated quantum-state tomography, and this system has also been used to perform single-qubit and ancilla-assisted quantum process tomography.

研究の動機と目的

• 高精度でスケーラブルな自動化システムを構築し、任意の2キュービット量子状態を生成すること。
• 実験的制約下で、もつれ状態や混合状態を含む複雑な量子状態の準備と特徴付けの課題に取り組むこと。
• 最小限の入力状態多様性で、もつれ支援技術を用いた正確な量子過程トモグラフィーを可能にすること。
• 適応的でコンピュータ最適化されたトモグラフィーにより、量子状態特徴付けの限界を押し広めること。
• 光子キュービットを用いたフォールトトレランス型量子情報プロトコルのテストベッドとしての役割を果たすこと。

提案手法

• ヘルド・シングル光子状態を伴う偏光もつれ光子対を生成するために、自己媒光パラメトリックダウンコンバージョン（SPDC）を用いる。
• 個々の光子に対して局所的ユニタリ操作を実行するため、二軸屈折性ウェーブプレート（HWPおよびQWP）を用いる。
• 光路における制御されたデコherenceを誘発するために、二軸屈折性遅延ラインを用いる。
• 直交する光学軸を持つ二結晶SPDC構成を採用し、二つの異なるダウンコンバージョン過程をコherently重ね合わせることで、もつれのチューニングを可能にする。
• 二つのSPDC寄与の間の相対位相を制御するための二軸屈折性位相プレートを適用し、|ψ⟩ ∝ |H⟩|H⟩ + εe^{iφ}|V⟩|V⟩ の形をとる非最大もつれ状態の準備を可能にする。
• 偏光相関を16の基底で測定し、最大尤度解析を用いて密度行列を再構成する、完全に自動化された量子状態トモグラフィー系を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子キュービットを用いて、混合状態やもつれ状態を含む任意の2キュービット量子状態を、実験的に高精度で準備できるか？
• RQ2 1つの実験的セットアップ内で、もつれとデコherenceを独立して制御・特徴付けられる範囲はどの程度か？
• RQ3 自動化され適応的な量子状態トモグラフィーは、複雑な量子状態の測定速度と正確さをどの程度向上させるか？
• RQ4 もつれ光子対を用いて、固定された1つの入力状態でのみ、補助状態支援型量子過程トモグラフィーを効率的に実装できるか？
• RQ5 2キュービット系におけるもつれと純度の物理的限界は何か？ そして、それらは実験的にどのようにマップできるか？

主な発見

• 本システムは、0.998以上のfidelityを達成する100,000個以上の単一キュービット状態を生成・区別可能である。
• 純粋状態および混合状態の両方の任意の2キュービット状態、特に最大もつれ混合状態（MEMS）が、成功裏に準備され実験的に検証された。
• 再構成された密度行列と目的の状態との間のfidelityは0.998を超えており、高精度な状態準備を示している。
• トゥングル・エントロピー平面は、MEMSによって定義される物理的境界を明らかにし、与えられた混合度に対してもつれの理論的限界を確認した。
• もつれ支援型量子過程トモグラフィーは、1つの入力状態のみを用いて、ユニタリ的およびデコherenct過程の両方を的確に特徴付けた。
• 自動化トモグラフィー系により、適応的測定戦略が可能となり、不確実性が顕著に低減され、再構成の正確性が向上した。