[논문 리뷰] Chip-scale Simulations in a Quantum-correlated Synthetic Space

Usman A. Javid, Raymond Lopez‐Rios외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 02.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동적으로 조절되는 리튬니오브산염 마이크로레진터를 사용하여 칩 스케일의 양자상관성 있는 합성 결정을 구현하며, 약 400×400의 합성 격자 모드를 갖는 광역대 양자 주파수 콤을 생성한다. 자발적 파라메트릭 다운컨버전의 시간-주파수 양자 얽힘과 칩 내 전기광학 조절을 활용하여, 시간-주파수 도메인에서 양자 얽힌 상태를 제어함으로써 양자 랜덤 워크, 블로흐 진동, 다수준 라비 진동을 시뮬레이션할 수 있다.

ABSTRACT

An efficient simulator for quantum systems is one of the original goals for the efforts to develop a quantum computer [1]. In recent years, synthetic dimension in photonics [2] have emerged as a potentially powerful approach for simulation that is free from the constraint of geometric dimensionality. Here we demonstrate a quantum-correlated synthetic crystal, based upon a coherently-controlled broadband quantum frequency comb produced in a chip-scale dynamically modulated lithium niobate microresonator. The time-frequency entanglement inherent with the comb modes significantly extends the dimensionality of the synthetic space, creating a massive nearly 400 x 400 synthetic lattice with electrically-controlled tunability. With such a system, we are able to utilize the evolution of quantum correlations between entangled photons to perform a series of simulations, demonstrating quantum random walks, Bloch oscillations, and multi-level Rabi oscillations in the time and frequency correlation space. The device combines the simplicity of monolithic nanophotonic architecture, high dimensionality of a quantum-correlated synthetic space, and on-chip coherent control, which opens up an avenue towards chip-scale implementation of large-scale analog quantum simulation and computation [1,3,4] in the time-frequency domain.

연구 동기 및 목표

• 광학에서의 합성 차원을 활용한 확장 가능하고 칩 내통합된 아날로그 양자 시뮬레이션 플랫폼을 개발하기 위해.
• 고전적 합성 차원 플랫폼의 한계를 극복하기 위해, 얽힌 광자 간 비고전적 양자 상관관계를 활용하기 위해.
• 단일 나노광학 구조에서 고차원적이고 전기적으로 조절 가능한 양자 시뮬레이션을 실현하기 위해.
• 칩 내에서 생성된 얽힌 상태를 활용하여 실용적인 양자 시뮬레이션—예를 들어 양자 랜덤 워크와 블로흐 진동—을 구현하기 위해.
• 최소한의 물리적 면적과 높은 일관성을 확보하면서도 시간-주파수 도메인에서 대규모 양자 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 주기적으로 폴링된 리튬니오브산염 마이크로레진터에서 자발적 파라메트릭 다운컨버전(SPD)을 통해 생성된 일관된 제어가 가능한 양자 광학 주파수 콤(QOFC)을 사용한다.
• 레진터 내부에 통합된 칩 내 전기광학 조절기를 활용하여 주파수 콤 모드 간의 근접 이웃 결합을 유도함으로써, 타이트바인딩 격자를 형성한다.
• 신호 및 아이디어 광자 간의 시간-주파수 얽힘을 활용하여 고전적 주파수 모드를 초월한 합성 차원의 확장을 가능하게 한다.
• 얽힘과 일관된 제어를 통해 약 400×400 모드를 갖는 이중 차원의 양자상관성 합성 격자를 구성한다.
• 스펙트럼 간섭측정과 공동 스펙트럼 강도(JSI) 측정을 통해 양자 상관관계를 특성화하고 역학을 시뮬레이션한다.
• 수치적 피팅과 분산 분석을 통해 실험 데이터에서 진동 주파수를 추출하고 양자 워크의 확산 정도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 스케일 광학 플랫폼은 칩 내에서 생성된 양자 주파수 콤을 활용하여 고차원의 양자상관성 합성 격자를 생성할 수 있는가?
• RQ2 QOFC 내에서의 시간-주파수 얽힘은 고전적 주파수 모드를 초월해 합성 공간의 효과적 차원을 얼마나 확장할 수 있는가?
• RQ3 칩 내 전기광학 조절은 양자 상관관계에 대한 일관되고 조절 가능한 제어를 가능하게 하여 복잡한 양자 역학을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼은 얽힌 광자 상태를 활용하여 양자 랜덤 워크나 블로흐 진동과 같은 비트리비얼한 양자 현상을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 양자 상관관계와 조절 가능한 결합의 통합은 단일 칩에서 확장 가능한 아날로그 양자 시뮬레이션을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 시스템은 약 800개의 단일 광자 모드를 갖는 광역대 양자 주파수 콤을 생성하여, 거의 400×400 모드의 합성 격자를 형성한다.
• 신호 및 아이디어 광자 간의 시간-주파수 얽힘은 장거리 양자 상관관계를 가능하게 하여 합성 공간의 효과적 차원을 크게 확장한다.
• 측정된 분산이 양자 역학에 부합하는 이중 입자 양자 랜덤 워크가 관측되었으며, 공동 스펙트럼 강도(JSI) 행렬에서 일관된 확산이 나타났다.
• 블로흐 진동은 시간-주파수 상관관계 공간에서 관측되었으며, 보정된 공진기 히스토그램에 대한 삼각함수 피팅을 통해 진동 주파수를 추출하였고, 95% 신뢰구간을 확보하였다.
• 얽힌 광자 쌍의 스펙트럼 및 시간적 상관관계 함수에서 다수준 라비 진동이 성공적으로 시뮬레이션되었다.
• 시스템은 합성 격자에 대한 전기적 조절 제어를 실현하여, 한 칩에서 다양한 양자 역학을 재구성 가능한 시뮬레이션을 가능하게 하였다.