[논문 리뷰] Bell's measure and implementing quantum Fourier transform with orbital angular momentum of classical light

Xin-Bing Song, Yifan Sun외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 10.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 궤도역동량(OAM)을 가진 고전적 빛 빔을 사용하여 벨 측정과 양자 푸리에 변환(QFT)을 구현하며, 편극도와 OAM 간의 비양자 얽힘을 활용한다. 히드라드 및 제어 위상 게이트와 같은 고전적 양자 게이트의 유사체를 설계함으로써 실험적으로 QFT를 실현하고, 양자 시스템에서 관찰되는 벨 부등식 위반을 고전적 시스템에서 달성함으로써 핵심 양자 정보 과정의 고전적 시뮬레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We perform Bell's measurement and perform quantum Fourier transform with the classical vortex beam. The violation of Bell's inequality for such a non-separable classical correlation has been demonstrated experimentally. Based on the classical vortex beam and nonquantum entanglement between the polarization and orbital angular momentum, the Hadamard gates and conditional phase gates have been designed. Furthermore, a quantum Fourier transform has been implemented experimentally, which is the crucial final step in Shor's algorithm

연구 동기 및 목표

• 고전적 빛 빔의 궤도역동량(OAM)을 이용하여 양자 정보 과정의 고전적 유사체를 탐색한다.
• 편극도와 OAM 간의 비양자 얽힘을 활용하여 고전적 광학 시스템에서 양자 푸리에 변환(QFT)을 실현한다.
• 편극도와 비분리된 상관관계를 가진 고전적 시스템에서 벨 측정을 수행하고, 벨 부등식 위반을 입증한다.
• OAM과 편극도 자유도를 이용하여 히드라드 및 제어 위상 게이트의 고전적 유사체를 설계한다.
• 쇼어 알고리즘과 같은 양자 알고리즘의 시뮬레이션 가능성을 검증한다.

제안 방법

• 정의된 궤도역동량(OAM)을 가진 고전적 비틀림 빛 빔을 사용하여 양자 정보 유사 상태를 인코딩한다.
• 편극도와 OAM 간의 비양자 얽힘을 활용하여 양자 상관관계를 시뮬레이션한다.
• 웨이브플레이트와 공간 광학 조절기(SLM)를 사용하여 OAM과 편극도를 조작함으로써 고전적 히드라드 및 제어 위상 게이트를 설계한다.
• 이러한 고전적 게이트를 사용하여 QFT의 유니터리 변환을 모방하는 QFT 회로를 구성한다.
• 편극도 분석과 OAM 모드 식별을 조합하여 벨 상태 측정을 수행한다.
• 고전적 시스템에서 측정된 상관관계를 바탕으로 벨 부등식의 위반 여부를 실험적으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 빛에서 편극도와 OAM 간의 비양자 얽힘은 양자 측정 통계를 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 진정한 양자 얽힘 없이도 고전적 광학 시스템이 양자 푸리에 변환을 어느 정도 실현할 수 있는가?
• RQ3 구조화된 빛을 가진 고전적 시스템에서 벨 부등식을 위반할 수 있으며, 이는 고전적 양자 현상 시뮬레이션에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 고전적 광학 구성 요소가 히드라드 및 제어 위상 게이트와 같은 양자 게이트를 얼마나 정확하게 모방할 수 있는가?
• RQ5 고전적 빛을 사용하여 쇼어 알고리즘의 핵심 구성 요소를 시뮬레이션하는 데 실험적으로 가능한가?

주요 결과

• 실험적으로 비양자 얽힘 상태임에도 불구하고 고전적 비틀림 빛 빔을 사용하여 벨 부등식 위반을 입증함으로써, 비양자적 상태에서도 비고전적 유사 상관관계가 존재함을 보여준다.
• 고전적 광학 구성 요소와 OAM 상태를 사용하여 완전한 QFT 회로를 성공적으로 실현하였다.
• 편극도-OAM 조작을 통해 고전적 히드라드 및 제어 위상 게이트의 유사체를 실현함으로써 고전 영역 내에서의 보편적 게이트 연산을 가능하게 하였다.
• 고도로 정밀한 상태 준비 및 측정을 달성하여 고전적 빛을 사용한 QFT의 신뢰성 있는 실현이 가능해졌다.
• 결과적으로 구조화된 빛을 가진 고전적 시스템이 얽힘 기반 측정 및 양자 알고리즘과 같은 핵심 양자 정보 과정을 시뮬레이션할 수 있음을 확인하였다.
• 양자 초월이 없이도 고전적 시스템에서 벨 부등식 위반이 발생함으로써, 비분리된 상관관계를 기술하는 데 있어 고전적 모델의 한계가 드러났다.