[논문 리뷰] A 12-mode Universal Photonic Processor for Quantum Information Processing

Caterina Taballione, Reinier van der Meer외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 10.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 43인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스토이키오메트릭 실리카 뉴트라이드 웨이브가이드를 기반으로 한 12모드의 유니버설 광학 프로세서를 제시하며, 낮은 손실과 완전한 테이너빌리티, 전모드 간 커플링을 실현한다. 이는 지금까지 가장 대규모의 프로그래머블 선형 광학 간섭계로, 통합 광학 플랫폼에서 높은 정밀도와 안정성을 갖춘 확장 가능한 양자 정보 처리를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Photonic processors are pivotal for both quantum and classical information processing tasks using light. In particular, linear optical quantum information processing requires both largescale and low-loss programmable photonic processors. In this paper, we report the demonstration of the largest universal quantum photonic processor to date: a low-loss, 12-mode fully tunable linear interferometer with all-to-all coupling based on stoichiometric silicon nitride waveguides.

연구 동기 및 목표

• 선형 광학 양자 정보 처리를 위한 대규모, 저손실, 완전히 프로그래밍 가능한 광학 프로세서를 개발하는 것.
• 작고 테이너블한 설계에서 전모드 간 커플링을 통합함으로써 기존 광학 프로세서의 확장성과 손실 문제를 극복하는 것.
• 실리카 뉴트라이드 웨이브가이드를 사용한 12모드 통합 광학 플랫폼에서 유니버설 양자 처리 능력을 입증하는 것.
• 양자 알고리즘과 양자 시뮬레이션에 필수적인 높은 정밀도의 양자 상태 변환을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 전파 손실을 최소화하고 고광학 품질 인자를 실현하기 위해 스토이키오메트릭 실리카 뉴트라이드 웨이브가이드를 사용하여 프로세서를 제작한다.
• 모든 모드 간 커플링을 구현하기 위해 재구성 가능한 위상 시프터와 가변 광 커퍼를 포함한 네트워크를 활용한 12모드 맥스-젠더 간섭계 아키텍처를 구현한다.
• 모든 구성 요소는 미크로 히터를 사용해 활성적으로 테이너블하게 제어되어 굴절률을 조절하고 임의의 유니터리 변환을 실현한다.
• 모드 간 간섭을 줄이고 공명성을 유지하기 위해 자가 위상 안정화 프로토콜을 사용하여 시스템을 캘리브레이션한다.
• 간섭계 측정과 양자 상태 토모그래피를 통해 유니터리 성능과 모드 순도를 검증한다.
• 설계는 확장 가능하며, 차세대 대규모 모드 수로의 확장이 가능한 온칩 통합과 호환된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 12모드 광학 프로세서는 작고 통합된 플랫폼에서 낮은 전파 손실로 완전한 테이너빌리티와 전모드 간 커플링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 대규모 프로그래머블 광학 간섭계에서 유니터리 변환의 최대 달성 가능한 정밀도는 얼마인가?
• RQ3 모드 수와 테이너블 구성 요소의 수가 증가함에 따라 프로세서 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 온칩 위상 안정화와 활성 피드백은 모든 모드에서 공명성을 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 양자 알고리즘과 양자 시뮬레이션에 필수적인 유니버설 양자 연산을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 무작위 유니터리 연산에 대해 측정된 평균 정밀도는 0.992 ± 0.003로, 고정밀 제어를 나타낸다.
• 장치는 모드당 루프트립 손실가 1.5 dB 이하로 나타나 스토이키오메트릭 실리카 뉴트라이드 웨이브가이드에서 낮은 전파 손실을 실현한다.
• 모든 12개 모드가 상호 연결되어 전모드 간 커플링을 실현하여 유니버설 양자 게이트 연산이 가능하다.
• 장기간 운영 동안 위상 안정성이 유지되며, 측정된 위상 드리프트는 0.1°/h 미만이다.
• 모든 모드에서 임의의 유니터리 변환이 가능하여 선형 광학 양자 정보 처리에 있어 유니버설성을 확인한다.
• 활성 조절과 자가 위상 안정화의 통합은 다양한 구성에서 견고한 운영을 가능하게 한다.