[논문 리뷰] Complete analysis and generation of hyperentangled Greenberger-Horne-Zeilinger state for photons using quantum-dot spins in optical microcavities

Tie-Jun Wang, Siyu Song외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 42인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광학 마이크로캐비티 내에 있는 양자점 스핀을 이용하여 세 광자 초양자 얽힌 고르드버거-호른-자일링(GHZ) 상태의 완전한 분석과 생성을 위한 확장 가능하고 결정론적인 방법을 제안한다. 이중면 및 단일면 캐비티-양자점 시스템을 조합함으로써, 편광 및 공간 모드 자유도에서 64개의 초양자 얽힌 GHZ 상태를 완전히 구분할 수 있으며, 현재의 실험적 조건에서 강한 결합 영역에서 거의 단위에 가까운 정밀도와 52% 이상의 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

We propose a scheme for the complete differentiation of 64 three-photon hyperentangled GHZ states in both polarization and spatial-mode degrees of freedoms using the quantum-dot cavity system. The three-photon hyperentangled-GHZ-state-analysis scheme can also be used to generate 3-photon hyperentangled GHZ states. This proposed hyperentangled analysis and generation device can serve as crucial components of the high-capacity, long-distance quantum communication. We use quantum swapping as an example to show the application of this device in quantum communication with polarization and spatial-mode degrees of freedoms. Using numerical calculations, we show that the present scheme may be feasible in strong-coupling regimes with current technologies.

연구 동기 및 목표

• 편광 및 공간 모드 자유도에서 세 광자 초양자 얽힌 GHZ 상태를 완전하고 결정론적으로 분석하고 생성하는 방법을 개발하는 것.
• 다중광자 시스템에서의 초양자 얽힘을 활용하여 고용량·장거리 양자 통신을 실현하는 것.
• 캐비티-양자점 시스템의 강한 결합 영역에서 현재의 실험 조건 하에서도 이론적 타당성을 입증하는 것.
• 확장 가능한 양자 네트워크를 위한 초양자 얽힘 스위칭을 포함한 양자 정보 작업에 장치를 적용하는 것.

제안 방법

• 광자 편광 및 공간 모드 자유도를 얽히게 하기 위해 이중면 캐비티-양자점 시스템을 SWAP 게이트로 활용한다.
• 광자 상태 간의 위상 관계를 감지하기 위해 단일면 캐비티-양자점 시스템을 진위 검출 장치로 활용한다.
• 초양자 얽힌 상태를 이용한 다중입자 얽힘 조작을 보여주기 위해 양자 스위칭 프로토콜을 적용한다.
• 결합 강도 $g/(κ_s + κ)$ 및 손실 비율 $\kappa_s/\kappa$ 의 함수로 정밀도와 효율을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용한다.
• 현실적인 비편향 및 손실 조건 하에서 성능를 정량화하기 위해 정밀도 $F_+$, $F_-$ 및 효율 $E'$, $E'^{\prime}$ 를 위한 수식을 적용한다.
• 헤리티시티 검출을 통해 허브라드 연산 이후 양자 스핀 측정을 비파괴적으로 수행하는 방법에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 장치로 편광 및 공간 모드 자유도에서 세 광자 초양자 얽힌 GHZ 상태 64개를 완전하고 결정론적으로 분석할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법이 캐비티-양자점 시스템의 강한 결합 영역에서 현재의 양자점 스핀 캐비티 기술로 구현 가능한가?
• RQ3 현실적인 비편향 및 캐비티 손실 조건 하에서 초양자 얽힌 GHZ 상태 분석 및 생성의 달성 가능한 정밀도와 효율은 얼마인가?
• RQ4 장치는 다중입자 얽힘 분포를 위한 초양자 얽힘 스위칭을 어떻게 지원하는가?
• RQ5 이 방법은 확장 가능한 고용량 양자 통신 네트워크를 구축하는 데 응용될 수 있는가?

주요 결과

• 결합 비율 $g/(κ_s + κ) > 1.5$ 이고 손실 비율 $\kappa_s/\kappa \ll 1$ 일 때, 거의 단위에 가까운 정밀도($F_+ \sim F_- \sim F'^{\prime} \sim 1$)와 97% 이상의 효율($E'^{\prime} > 97\%$)을 달성할 수 있다.
• 현실적인 매개변수($\kappa_s/\kappa \approx 0.2$, $g/(κ_s + κ) \approx 0.58$) 조건에서, 정밀도 $F_+ = F_- = 0.99$ 및 효율 $E_+ = E_- = 60\%$ 를 달성한다.
• 소규모 손실 한계($\kappa_s/\kappa \approx 0.2$)에서, $g/(κ_s + κ) = 0.88$ 일 때 정밀도 $F'^{\prime} \sim 0.98$ 및 효율 $E'^{\prime} = 52\%$ 를 달성한다.
• 단일면 캐비티 시스템의 경우, $g/(κ_s + κ) \approx 1.0$ 이고 $\kappa_s/\kappa \approx 0.7$ 일 때 $F'^{\prime} \sim 0.98$ 를 달성할 수 있으나, 효율은 $E'^{\prime} = 20\%$ 로 감소한다.
• 스핀 비편향 조건 하에서도 장치는 강건하며, $5t \ll T$ 이고 $t \gg \tau/n_0$ 를 만족할 경우 정밀도는 $F'^{\prime} = [1 + \exp(-5t/T)]/2$ 로 감소한다.
• 장치는 결정론적인 초양자 얽힘 스위칭을 가능하게 하여 장거리에서 다중입자 얽힘 분포에 실용성을 입증한다.