[논문 리뷰] Creation of Optical Cat and GKP States Using Shaped Free Electrons

Raphael Dahan, Gefen Baranes외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 17.

Photocathodes and Microchannel Plates인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 파장 조절된 자유전자와 광학 구조물(예: 파동도파로 및 광결정) 간의 상호작용을 통해 광학 고양이 상태와 고트스만-키타에프-프레스킬(GKP) 상태를 생성함으로써 광영역에서의 약한 비선형성 문제를 해결한다. 이 방법은 10% 후선택 조건에서 >10 dB의 압축과 >90%의 정밀도를 달성하며, 사전에 압축된 입력을 사용할 경우 효율이 >30%에 이를 수 있어 전자기 스펙트럼 전역에서 확장 가능한 연속변수 양자정보 처리를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Cat states and Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states play a key role in quantum computation and communication with continuous variables. The creation of such states relies on strong nonlinear light-matter interactions, which are widely available in microwave frequencies as in circuit quantum electrodynamics platforms. However, strong nonlinearities are hard to come by in optical frequencies, severely limiting the use of continuous variable quantum information in the optical range. Here we propose using the strong interactions of free electrons with light as a source for optical cat and GKP states. The strong interactions can be realized by phase-matching of free electrons with photonic structures such as optical waveguides and photonic crystals. Our approach enables the generation of optical GKP states with above 10 dB squeezing and fidelities above 90% at post-selection probability of 10%, even reaching >30% using an initially squeezed vacuum state. Furthermore, the free-electron interaction allows for conditional rotations on the photonic state, enabling to entangle a pair of GKP states into a GKP Bell state. Since electrons can interact resonantly with light across the electromagnetic spectrum, our approach may be used for the generation of cat and GKP states over the entire electromagnetic spectrum, from radio-waves to X-rays.

연구 동기 및 목표

• 광주파수 영역에서 강한 비선형성이 부족하여 연속변수 양자 상태, 예를 들어 고양이 상태와 GKP 상태의 생성이 저해되는 문제를 해결하기 위해.
• 설계된 광학 구조물에서 강한 전자-광선 상호작용을 활용하여 결정적인 고정밀도 상태 준비를 가능하게 하기 위해.
• 마이크로파 플랫폼을 넘어서 광영역 및 전체 전자기 스펙트럼으로의 양자 상태 생성을 확장하기 위해.
• 측정 가능한 압축과 후선택 효율성이 양자정보 응용에 적합한 고정밀도 GKP 상태를 달성하기 위해.

제안 방법

• 광학 도파로 및 광결정과 같은 광학 구조물과 형태가 조절된 자유전자 간의 위상 일치 상호작용을 활용하여 강력한 효과적 비선형성을 유도하기 위해.
• 전자 파동함수를 설계하여 특정 광모드와 공명적으로 결합시켜 광장에 조건부 상태 준비를 가능하게 하기 위해.
• 전자-광자 양자 얽힘을 통해 측정을 통한 후선택 준비를 통해 광학 고양이 상태와 GKP 상태를 생성하는 방법을 구현하기 위해.
• 후선택 효율을 향상시키기 위해 초기에 압축된 진공 상태를 사용하여 GKP 상태 생성의 성공 확률을 >30%로 높이기 위해.
• 전자 매개 얽힘을 통해 광학 상태에 대한 조건부 회전을 실현하여 GKP Bell 상태 생성을 가능하게 하기 위해.
• 전자-광선 상호작용의 넓은 스펙트럼 조절 능력을 활용하여 이론적 방법을 라디오파에서 X선까지 전자기 스펙트럼 전역으로 확장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 형태가 조절된 자유전자와 광학 구조물 간의 상호작용이 고정밀도 및 측정 가능한 압축을 갖춘 광학 고양이 상태와 GKP 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 형태가 조절된 자유전자를 사용할 경우 광학 GKP 상태 생성의 후선택 효율은 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ3 전자 매개 상호작용을 통해 조건부 회전과 같은 얽힘 연산을 통해 얽힌 GKP 상태, 예를 들어 Bell 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ4 사전에 압축된 입력 상태를 사용할 경우 GKP 상태 생성의 성공률과 품질은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 이 방법은 라디오파에서 X선까지 전자기 스펙트럼 전역으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 10% 후선택 조건에서 10 dB 이상의 압축과 90%를 초월하는 정밀도를 갖춘 광학 GKP 상태를 생성할 수 있다.
• 입력 상태로 사전에 압축된 진공 상태를 사용할 경우 후선택 효율이 30%를 초과하여 실용적 적용 가능성이 크게 향상된다.
• 전자 매개 얽힘을 통해 광학 상태에 대한 조건부 회전을 실현하여 GKP Bell 상태 생성이 가능하다.
• 전자-빛의 공진 상호작용이 광역 주파수 범위에서 가능하므로 이 방법은 전자기 스펙트럼 전역에서 확장 가능하다.
• 자유전자와 광학 구조물 간의 위상 일치는 광영역에서 상태 준비에 필수적인 강력한 효과적 비선형성을 가능하게 한다.
• 이 방법은 이전에 약한 비선형성으로 인해 제한되었던 광영역에서의 연속변수 양자정보 처리를 위한 길을 열어준다.