[논문 리뷰] Controllable two-photon interference with versatile quantum frequency processor

Hsuan‐Hao Lu, Joseph M. Lukens외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 28.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 42인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 전기광학 변조기와 푸리에 변환 펄스 형상 조절기를 기반으로 한 재구성 가능한 양자 주파수 프로세서를 제시한다. 이는 스펙트르로 인코딩된 광자 큐비트에 대해 보편적이고 선형적이며 낮은 노이즈의 제어를 가능하게 한다. 이는 두 광자 주파수-빈 Hong-Ou-Mandel 간섭에서 기록적인 94%의 시야도를 달성하였으며, 고정밀도로 독립적인 스펙트르 상관관계 뒤집기를 실현하여 확장 가능한 주파수 다중화 양자 네트워크를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum information is the next frontier in information science, promising unconditionally secure communications, enhanced channel capacities, and computing capabilities far beyond their classical counterparts. And as quantum information processing devices continue to transition from the lab to the field, the demand for the foundational infrastructure connecting them with each other and their users---the quantum internet---will only increase. Due to the remarkable success of frequency multiplexing and control in the classical internet, quantum information encoding in optical frequency offers an intriguing synergy with state-of-the-art fiber-optic networks. Yet coherent quantum frequency operations prove extremely challenging, due to the difficulties in mixing frequencies efficiently, arbitrarily, in parallel, and with low noise. Here we implement an original approach based on a reconfigurable quantum frequency processor, designed to perform arbitrary manipulations of spectrally encoded qubits. This processor's unique tunability allows us to demonstrate frequency-bin Hong-Ou-Mandel interference with record-high 94% visibility. Furthermore, by incorporating such tunability with our method's natural parallelizability, we synthesize independent quantum frequency gates in the same device, realizing the first high-fidelity flip of spectral correlations on two entangled photons. Compared to quantum frequency mixing approaches based on nonlinear optics, our linear method removes the need for additional pump fields and significantly reduces background noise. Our results demonstrate multiple functionalities in parallel in a single platform, representing a huge step forward for the frequency-multiplexed quantum internet.

연구 동기 및 목표

• 스펙트르로 인코딩된 광자 큐비트에서 보편적인 양자 주파수 작동을 위한 확장 가능한 선형 플랫폼을 개발하는 것.
• 펌프 유도 노이즈와 복잡한 펌프 필드 요구 조건과 같은 비선형 주파수 혼합의 한계를 극복하는 것.
• 단일 장치에서 높은 시야도의 두 광자 간섭과 독립적인 스펙트르 상관관계 제어를 가능하게 하는 것.
• 기존의 섬유 광선 인프라를 활용하여 주파수 다중화 양자 인터넷을 실현하는 데 기여하는 것.

제안 방법

• 프로세서는 전기광학 위상 변조기(EOM)와 푸리에 변환 펄스 형상 조절기를 사용하여 광자의 이산 주파수 빈에 유니터리 작동을 적용한다.
• 비선형성을 피하고 Raman 산란과 같은 관련 노이즈를 줄이는 선형적이고 전적으로 광학적인 접근을 구현한다.
• 주파수 도메인에서의 프로그래머블 위상 및 진폭 형상 조절을 통해 스펙트르로 인코딩된 큐비트의 임의의 조작을 가능하게 한다.
• 검출 효율성과 손실을 고려하여 실험 데이터에서 밀도 행렬을 재구성하기 위해 베이지안 평균 추정(BME) 프레임워크를 사용한다.
• 단일 장치 내에서 병렬로 독립적인 양자 주파수 게이트 작동을 지원하여 복잡한 스펙트르 상태 변환을 가능하게 한다.
• 주파수 빈과 기저 쌍 간의 16개의 POVM 조합을 완전히 활용하여 높은 정밀도로 양자 상태를 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형적이고 재구성 가능한 양자 주파수 프로세서는 주파수 빈 인코딩 큐비트에서 고시야도의 두 광자 간섭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 장치를 사용하여 얽힌 광자들에 대해 병렬로 독립적인 스펙트르 상관관계 작동을 수행할 수 있는가?
• RQ3 노이즈와 시야도 측면에서 비선형 주파수 혼합에 비해 이 선형적 접근의 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 단일 플랫폼을 사용하여 얼마나 높은 정밀도로 스펙트르 상관관계 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ5 현실적인 손실과 검출 모델을 고려한 베이지안 상태 토모그래피는 주파수 인코딩 상태에 대해 신뢰할 수 있고 불확도가 낮은 정밀도 추정치를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 두 광자 주파수-빈 Hong-Ou-Mandel 간섭에서 기록적인 94%의 시야도를 달성하였으며, 이는 이러한 시스템에 대해 최고 수준의 결과이다.
• 이 단일 장치에서 처음으로 고정밀도 스펙트르 상관관계 뒤집기가 실현되었으며, 주파수 공간에서 얽힌 광자 상태의 제어를 가능하게 하였다.
• 베이지안 평균 추정(BME) 방법을 통해 0.92 ± 0.01의 상태 정밀도를 확보하였으며, Y-기저 측정 수가 제한됨에도 불구하고 낮은 불확도를 기록하였다.
• 프로세서는 추가적인 펌프 필드가 필요 없이 병렬로 독립적인 양자 주파수 게이트 작동을 가능하게 하여 배경 노이즈를 감소시켰다.
• 선형적이고 전적으로 광학적인 접근는 비선형 광학 요소가 필요 없게 하여 Raman 산란과 펌프 누설에서 유래하는 노이즈를 크게 감소시켰다.
• 재구성된 밀도 행렬은 높은 정확도를 보였으며, 실수 성분에 대해 낮은 오차와 물리적 제약에 의해 제한된 허용 범위 내의 허수 성분 불확도를 보였다.