[논문 리뷰] A photonic source of heralded GHZ states

Huan Cao, L. M. Hansen외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 10.

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science참고 문헌 44인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고속, 허브리드된 삼광자 편광 인코딩 GHZ 상태를 고체 상태 양자 점 소스와 안정적인 편광 간섭계를 사용하여 구현한다. 세 개의 보조 광자를 검출함으로써, 이 시스템은 0.914 ± 0.006 Hz의 속도로 0.7278 ± 0.0106의 허상도를 갖는 GHZ 상태 생성을 알리는 데 성공하며, 융합 기반 프로토콜을 통한 확장 가능한 광학 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Generating large multiphoton entangled states is of main interest due to enabling universal photonic quantum computing and all-optical quantum repeater nodes. These applications exploit measurement-based quantum computation using cluster states. Remarkably, it was shown that photonic cluster states of arbitrary size can be generated by using feasible heralded linear optics fusion gates that act on heralded three-photon Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states as the initial resource state. Thus, the capability of generating heralded GHZ states is of great importance for scaling up photonic quantum computing. Here, we experimentally demonstrate this required building block by reporting a polarisation-encoded heralded GHZ state of three photons, for which we build a high-rate six-photon source ($547{\pm}2$ Hz) from a solid-state quantum emitter and a stable polarisation-based interferometer. The detection of three ancillary photons heralds the generation of three-photon GHZ states among the remaining particles with fidelities up to $\mathcal{F}=0.7278{\pm}0.0106$. Our results initiate a path for scalable entangling operations using heralded linear-optics implementations.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 고속의 허브리드 다광자 얽힘 상태 소스를 개발하기 위해.
• 오직 선형 광학과 허브리드 작동만을 사용하여 보편적인 양자 계산을 위한 실용적이고 손실에 강건한 길을 제시하기 위해.
• 결정적 다광자 간섭과 가짜 수치 해상도 검출을 통해 고정도 삼광자 GHZ 상태를 달성하기 위해.
• 신뢰할 수 있고 고품질의 자원 상태를 제공하여 향후 융합 기반 양자 계산 프로토콜을 가능하게 하기 위해.
• 고체 상태 발광체와 통합 광학 회로를 사용하여 다광자 얽힘 생성의 한계를 극복하기 위해.

제안 방법

• 28.7%의 효율을 가진 섬유 효율적인 양자 점 단일 광자 소스를 사용하여 547 ± 2 Hz의 속도로 여섯 개의 서로 구분되지 않는 광자를 생성하였다.
• 다중 주파수(10, 20, 40 MHz)에서 동기화된 일곱 개의 전기광학 모듈레이터(r-EOMs)를 통한 활성 분할 다중화를 통해 여덟 개의 연속된 시간 영역에서 결정적 시간 영역 다중화를 실현하였다.
• 안정적이고 섬유 기반의 편광 간섭계를 사용하여 여섯 개의 광자를 일관되게 초합성시키며 고해상도 양자 간섭을 가능하게 하였다.
• 세 개의 알림 광자를 위한 가짜 수치 해상도 검출을 통해 나머지 세 개의 광자가 GHZ 상태에 있을 경우를 알리는 방식을 사용하였으며, 검출에는 18개의 초도성 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPDs)를 사용하였다.
• 세 신호 큐비트에 대한 파울리 연산자(X, Y, Z)의 모든 27개 조합을 측정함으로써 |GHZ⁺⟩ 및 |GHZ⁻⟩ 상태에 대해 과잉 측정 양자 상태 토모그래피를 수행하였다.
• 허상도는 이상적인 GHZ 상태에 대해 계산되었으며, 재구성된 밀도 행렬의 작은 허수 성분을 보정하기 위해 단계 보정이 적용되었다.

Figure 1: Single-photon quality. (a) Normalised second-order auto-correlation function $g^{(2)}(\Delta t)$ from a Hanbury Brown and Twiss setup, and (b) at the output of a Hong-Ou-Mandel experiment at $\pi$ -pulse excitation. We measure the single-photon purity $1{-}g^{(2)}(0){=}0.981{\pm}0.003$ , a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 상태 양자 점 소스와 선형 광학을 사용하여 고속, 허브리드된 삼광자 GHZ 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 소스와 간섭계 설정을 사용할 경우, 허브리드 GHZ 상태의 도달 가능한 허상도와 생성 속도는 얼마인가?
• RQ3 단일 다광자 소원을 사용하여 동시에 |GHZ⁺⟩ 및 |GHZ⁻⟩ 상태에 대해 과잉 측정 양자 상태 토모그래피를 수행할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템의 성능이 확장 가능한 융합 기반 양자 계산 프로토콜을 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ5 광학 경로의 손실과 비효율성은 전체 허브리드 상태 생성 속도와 허상도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 여섯 광자 소스는 547 ± 2 Hz의 검출 속도를 달성하여 고카운트 레이트 실험을 가능하게 하였다.
• 허브리드 삼광자 GHZ 상태는 0.914 ± 0.006 Hz의 속도로 생성되었으며, 광학적 손실과 검출 비효율성 고려 시 이론적 기대와 일치하였다.
• 단계 보정 후 이상적인 |GHZ⁺⟩ 상태에 대한 허상도는 0.7278 ± 0.0106로 측정되어 고품질의 얽힘을 확인하였다.
• |GHZ⁻⟩ 상태에 대한 허상도는 0.7083 ± 0.0120였으며, 밀도 행렬의 작은 허수 성분은 약간의 단계 오프셋을 나타내었다.
• 시스템은 진정된 삼체 얽힘을 보였으며, 워치 값 ⟨W_GHZ⟩ = -0.2613 ± 0.0335로 일곱 표준편차를 초과하였다.
• 여덟 광자 속도는 15.7 ± 0.4 Hz에 도달하여 십광자 수준의 프로토콜로의 확장 가능성을 보였다.

Figure 2: Multiphoton source. (a) Resonant demultiplexer. Seven synchronised r-EOMs—-one driven at $40$ MHz, two at $20$ MHz, and four at $10$ MHz–and polarising beam splitters, deterministically demultiplex eight consecutive time bins. Fibre-based delays and translation stages are used to correct t