[논문 리뷰] Creation of Entangled Photonic States Using Linear Optics

Sara Bartolucci, Patrick M. Birchall외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Optical Network Technologies참고 문헌 2인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 이전 방법보다 훨씬 높은 성공 확률을 갖는 비결정적 방식으로 광자 얽힘 상태를 생성하기 위해 고급 선형 광학 기법을 도입한다. 적응형 측정 전략, 다중화, 그리고 ' bleeding '과 ' primates '와 같은 새로운 프로토콜을 활용함으로써 저자들은 벨 상태 생성 확률을 최대 2/3까지 끌어올리고, 벨 상태 보조자리를 사용해 유형-I 융합 성공률을 75%로 높여 선형 광학 양자계산 아키텍처에서 자원 과부하를 극적으로 감소시킨다.

ABSTRACT

Using only linear optical elements, the creation of dual-rail photonic entangled states is inherently probabilistic. Known entanglement generation schemes have low success probabilities, requiring large-scale multiplexing to achieve near-deterministic operation of quantum information processing protocols. In this paper, we introduce multiple techniques and methods to generate photonic entangled states with high probability, which have the potential to reduce the footprint of Linear Optical Quantum Computing (LOQC) architectures drastically. Most notably, we are showing how to improve Bell state preparation from four single photons to up to p=2/3, boost Type-I fusion to 75% with a dual-rail Bell state ancilla and improve Type-II fusion beyond the limits of Bell state discrimination.

연구 동기 및 목표

• 선형 광학 얽힘 생성의 본질적 비결정성 문제를 해결하기 위해.
• 핵심 얽힘 작동의 성공 확률을 높임으로써 선형 광학 양자계산(LOQC) 아키텍처의 자원 과부하와 점유 면적을 줄이기 위해.
• 비안정자 중간 상태를 활용하는 더 효율적인 얽힘 생성을 위한 새로운 적응형 프로토콜인 'bleeding'과 'primates'를 개발하기 위해.
• 더 적은 광자 소스와 더 단순한 다중화 방법으로도 고정밀 얽힘을 달성할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 네 개의 단일 광자를 사용해 벨 상태 생성 중 적응형 측정을 수행하는 'bleeding'을 도입하여 성공 확률을 2/3까지 끌어올림.
• 비안정자 중간 상태와 적응형 제어를 활용해 효율적인 다중화된 GHZ 상태 생성을 가능하게 하는 'primates' 프로토콜을 제안함.
• 병렬 시도에서 성공한 얽힘 사건을 선택하기 위해 활성 스위칭 네트워크를 사용한 다중화를 구현함.
• 보조 벨 상태를 사용해 유형-I 융합 성공률을 1/2에서 3/4로 높여 결정성 있는 클러스터 상태 퍼콜레이션을 가능하게 함.
• 보조 광자 또는 벨 쌍을 사용해 부분 벨 기저 측정을 수행하여 성공 확률을 5/8 또는 3/4로 증가시킴.
• DFT 유사 간섭계를 통한 탈확산 작동을 활용해 확률적 작동 이후에 광자 감소 상태를 신호 모드로 다시 농축함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적응형 선형 광학을 사용해 네 개의 단일 광자를 이용한 벨 상태 생성 성공 확률을 이전의 1/4 한계를 초월할 수 있는가?
• RQ2 보조 얽힘 상태를 사용해 유형-I 융합 성공 확률을 1/2를 초월할 수 있는가?
• RQ3 비안정자 중간 상태를 활용해 다중화된 얽힘 생성에 필요한 광자 소스 수를 줄일 수 있는가?
• RQ4 보조 광자 또는 얽힌 상태를 사용해 부분 벨 기저 측정을 향상시켜 융합 프로토콜의 성능을 높일 수 있는가?
• RQ5 오직 벨 상태와 적응형 선형 광학만을 사용해 거의 결정성적인 클러스터 상태 생성이 가능한가?

주요 결과

• 적응형 'bleeding' 프로토콜을 사용해 네 개의 단일 광자를 이용한 벨 상태 생성 성공 확률이 최대 2/3까지 상승하여 이전의 1/4 한계를 초월함.
• 이중 레일 벨 상태를 보조자로 사용해 유형-I 융합 성공 확률을 75%로 높여 더 효율적인 얽힘 스케일링을 가능하게 함.
• 'primates' 프로토콜은 기존의 큐비트 기반 방법보다 더 적은 광자 소스로 다중화된 GHZ 상태 생성을 가능하게 함.
• 두 개의 단일 광자 보조자리 또는 하나의 벨 쌍을 사용해 부분 벨 기저 측정의 성공 확률을 각각 5/8 또는 3/4로 향상시킬 수 있음.
• 최적의 투과율 t = √2 − 1을 사용할 경우 4-GHZ 상태를 생성하기 위해 필요한 단일 광자 수는 약 309로 최소화됨.
• 논문은 오직 벨 상태와 적응형 선형 광학만을 사용해 볼록성 클러스터 상태를 비결정성적으로도 생성할 수 있음을 입증하며, 분야 내에서 열려 있던 질문을 해결함.