[論文レビュー] Topologically Protected Quantum Entanglement

Yao Wang, Yong‐Heng Lu+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、フェムト秒レーザーライティングを用いて作製されたSu-Schrieffer-Heeger (SSH)格子を用いた光子チップ上で、位相的保護された量子偏光もつれ状態の実験的実証を報告している。位相的境界状態を活用することで、材料に起因する偏光回転に対しても量子もつれが保持されることを示しており、プロセストロポグラフィーにより、顕著な位相歪みが加わってもその頑健性が確認された。

ABSTRACT

Quantum entanglement, as the strictly non-classical phenomena, is the kernel of quantum computing and quantum simulation, and has been widely applied ranging from fundamental tests of quantum physics to quantum information processing. The decoherence of quantum states restricts the capability of building quantum simulators and quantum computers in a scalable fashion. Meanwhile, the topological phase is found inherently capable of protecting physical fields from unavoidable fabrication-induced disorder, which inspires the potential application of topological protection on quantum states. Here, we present the first experimental demonstration of topologically protected quantum polarization entangled states on a photonic chip. The process tomography shows that quantum entanglement can be well preserved by the boundary states even when the chip material substantially introduces relative polarization rotation in phase space. Our work links topology, material and quantum physics, opening the door to wide applications of topological enhancement in genuine quantum regime.

研究の動機と目的

• 光子チッププラットフォーム上で量子もつれの位相的保護を実証すること。
• 位相的頑健性を活用することで、スケーラブルな量子情報システムにおけるデ coherent 現象の課題に取り組むこと。
• 材料に起因する位相歪みが生じる状況下でも、位相的保護されたエッジ状態を通じて伝送された際、量子もつれが保持されることを実験的に検証すること。
• 位相的相、材料欠陥、および量子情報処理における量子状態の保持の関係を確立すること。

提案手法

• フェムト秒レーザー直接ライティングを用いて、交互に弱い結合と強い結合を有する1次元のSu-Schrieffer-Heeger (SSH)光子格子をプロトタイピングした（d₁ = 15 μm, d₂ = 8.5 μm）。
• 出力状態をクオーラム偏光基底（H, V, D, R）に射影することで量子状態トロポグラフィーを実施し、密度行列を再構築した（全波プレートと偏光子を用いて）。
• 1つの光子をトリガーとして用い、入力状態（H, V, D, R）と出力基底（H, V, D, R, A, L）の組み合わせ24通りの連続測定を実施することで、量子プロセストロポグラフィーを実行した。
• 最大尤度最適化を用いてプロセス行列χを再構築し、量子プロセスの物理的妥当性を保証した。
• 再構築されたプロセス行列と位相ゲートSとの関係を分析し、χ = SρS†であることを示した。これにより、プロセスが位相的保護された位相操作を実装していることが確認された。
• 位相的エッジ状態（1番目および26番目のサイト）と、自明なバルク状態との間でもつれの保持を比較し、20 mmから140 mmの伝搬距離にわたる減衰を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子チップ上における位相的境界状態は、材料に起因するデ coherent 現象に対して、量子偏光もつれを保護できるか？
• RQ2 不規則な光子格子内において、位相的エッジ状態と自明なバルク状態との間で、量子もつれの保持にどのような差が生じるか？
• RQ3 位相空間内に相対的偏光回転が導入された場合、位相的保護が量子相関をどの程度維持できるか？
• RQ4 チップ上でのもつれ変換プロセスは、ユニタリプロセス行列で正確に記述可能であり、既知の量子ゲートに対応するか？
• RQ5 もつれペアの1つまたは両方の光子が保護されたエッジ状態を通って伝搬する場合、位相的保護は有効に機能するか？

主な発見

• 材料に起因する位相空間内での顕著な相対的偏光回転が生じても、位相的境界状態（1番目および26番目のサイト）で量子偏光もつれが保持された。
• 自明なバルク状態では、伝搬距離の増加に伴いもつれが指数関数的に減衰し、非位相的領域では保護が存在しないことが確認された。
• プロセストロポグラフィーにより、再構築されたプロセス行列χが位相ゲートSのユニタリ変換と一致し、χ = SρS†であることが判明。これは、位相的保護された位相操作が実装されていることを示した。
• 再構築された密度行列のフィデリティは、すべての入力状態で高く維持されており、位相的保護下でのもつれ状態の頑健性が確認された。
• もつれの保持は、ペアの1つまたは両方の光子が位相的保護されたエッジ状態を通って伝搬する場合に、両方で維持された。
• 1番目および26番目のサイトに位置するゼロエネルギーのエッジモードが光子を閉じ込め、格子欠陥が存在しても安定したもつれ状態の伝送を可能にした。