[논문 리뷰] 20-Mode Universal Quantum Photonic Processor

Caterina Taballione, Malaquias Correa Anguita외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 03.

Optical Network Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 TripleX 기술을 사용하여 스토이키메트릭 실리카 뉴트라이드(Si3N4)에 제작된 20모드의 통용 가능한 양자 광학 프로세서를 제시한다. 이 프로세서는 97.4%의 하르-랜덤 편의성, 99.5%의 순열 편의성, 평균 2.9 dB의 삽입 손실, 98%의 홍-오우-만드 보기에를 달성하여 높은 정밀도의 유니타리 변환을 실현한다. 활성 열안정화를 통해 페르티어 냉각기를 이용한 실시간 제어가 가능하여 확장 가능하고 재구성 가능한 선형 광학 처리를 통해 통용 가능한 양자 광학 양자 컴퓨팅을 실현한다.

ABSTRACT

Integrated photonics is an essential technology for optical quantum computing. Universal, phase-stable, reconfigurable multimode interferometers (quantum photonic processors) enable manipulation of photonic quantum states and are one of the main components of photonic quantum computers in various architectures. In this paper, we report the realization of the largest quantum photonic processor to date. The processor enables arbitrary unitary transformations on its 20 input modes with an amplitude fidelity of $F_{ ext{Haar}} = 97.4\%$ and $F_{ ext{Perm}} = 99.5\%$ for Haar-random and permutation matrices, respectively, an optical loss of 2.9 dB averaged over all modes, and high-visibility quantum interference with $V_{ ext{HOM}}=98\%$. The processor is realized in $\mathrm{Si_3N_4}$ waveguides and is actively cooled by a Peltier element.

연구 동기 및 목표

• 현재까지 가장 큰 통용 가능한 양자 광학 프로세서를 구현하여 20모드에서 완전한 재구성 가능성과 고정밀 유니타리 변환을 실현하는 것.
• 통용 가능한 양자 컴퓨팅을 위한 대규모, 저손실, 위상 안정성의 통합 광학 플랫폼의 성능을 검증하는 것.
• 기타 물질들과의 성능 비교를 통해 스토이키메트릭 실리카 뉴트라이드를 확장 가능하고 저손실, 고정밀도의 양자 광학 프로세서에 최적의 플랫폼으로 정립하는 것.
• 완전 프로그래머블이고 고해상도 간섭을 보이는 간섭계를 통해 양자 시뮬레이션, 양자 미세측정, 양자 신경망과 같은 실용적 응용을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 프로세서는 380개의 열광학적 테이너블 요소를 포함한 통용 가능한 정사각형 간섭계 아키텍처에 기반하며, 재구성 가능한 맥스웰-젠더 간섭계 네트워크로 구성되어 있다.
• 비대칭 双스트립 단면을 가진 스토이키메트릭 Si3N4 웨이브가이드를 사용하여 최소 100 µm의 굴절 반경으로 전파 손실을 최소화한다.
• 위상 안정성 확보와 온도에 의한 드리프트 감소를 위해 페르티어 냉각기를 이용한 활성 열안정화를 구현한다.
• 통합 히터를 사용하여 각 간섭계 셀의 위상 이동과 비율을 조절함으로써 유니타리 변환을 실현한다.
• 양자 간섭은 홍-오우-만드(HOM) 딥 측정을 통해 특성화되며, 간섭 무늬의 가우시안 피팅을 통해 보기에가 정량화된다.
• 삽입 손실은 각 입력에서 빛을 주입하고 해당 출력에서 검출함으로써 모드별로 측정되며, 온칩 손실과 파장-칩 커플링 손실을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 Si3N4 기술을 사용하여 완전히 재구성 가능하고 저손실, 고정밀도의 양자 광학 프로세서에서 얻을 수 있는 최대 입력/출력 모드 수는 얼마인가?
• RQ2 20모드의 통용 가능한 프로세서의 성능은 기존 플랫폼과 비교해 편의성, 손실, 양자 간섭의 보기에 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ3 페르티어 냉각기를 통한 활성 열안정화가 대규모 광학 양자 프로세서의 위상 안정성과 운영 정밀도에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 Si3N4 기반의 통용 가능한 양자 광학 프로세서는 하르-랜덤 및 순열 행렬을 통해 모든 모드에서 고정밀도의 임의의 유니타리 변환을 수행할 수 있는가?
• RQ5 현재의 단위 셀당 손실를 감안할 때, Si3N4 기반 프로세서의 확장성 한계는 전송 손실이 e⁻¹ 이하로 떨어지기 전까지의 유용한 프로세서 크기로 어떻게 정의되는가?

주요 결과

• 20모드의 양자 광학 프로세서는 하르-랜덤 유니타리 편의성 97.4%를 달성하여 고정밀도의 임의의 선형 변환을 실현한다.
• 모든 20모드에서 평균 삽입 손실 2.9 dB을 기록하여 온칩 전파 손실과 파장-칩 커플링 손실을 포함한 저손실 성능을 확보한다.
• 순열 행렬 편의성 99.5%는 프로세서가 고정밀도, 결정론적 광학 변환을 수행할 수 있음을 확인한다.
• 홍-오우-만드 간섭 보기에가 98%에 도달하여 높은 품질의 양자 간섭과 양자 코herence 유지 능력을 보여준다.
• 1,000개 이상의 서로 다른 유니타리 변환에 걸쳐 높은 재구성 가능성을 유지하여 제어 및 안정성의 우수함을 확인한다.
• Si3N4 기반 프로세서는 가장 확장 가능한 플랫폼임을 입증하였으며, 전송 손실이 e⁻¹ 이하로 떨어지기 전까지의 유용한 프로세서 크기를 가장 크게 지원할 수 있으며 실리콘 온 인슐레이터 및 실리카 플랫폼을 능가한다.