[논문 리뷰] Efficient generation of entangled multi-photon graph states from a single atom

Philip Thomas, Leonardo Ruscio외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 25.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 41인용 수 190

한 줄 요약

이 논문은 고정밀도 공진자에 갇힌 87Rb 원자 한 개를 사용하여 대규모 광학 그래프 상태—특히 그린버거-호른-Ζ이엘링(GHZ) 및 선형 클러스터 상태—를 결정론적으로 고효율로 생성하는 방법을 제시한다. vSTIRAP를 통한 제어된 단일 광자 방출과 맞춤형 원자 큐비트 회전을 번갈아 적용함으로써, 저자들은 76% 이상의 품질도를 갖는 14광자 GHZ 상태와 56% 이상의 품질도를 갖는 12광자 클러스터 상태를 분당 약 1개의 속도로 구현하였다. 이는 확률적 SPDC 기반 방법보다 확장성과 효율성 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Entanglement is a powerful concept with an enormous potential for scientific and technological advances. A central focus in modern research is to extend the generation and control of entangled states from few to many qubits, and protect them against decoherence. Optical photons play a prominent role as these qubit carriers are naturally robust and easy to manipulate. However, the most successful technique to date for creating photonic entanglement is inherently probabilistic and therefore subject to severe scalability limitations. Here we avoid these by implementing a deterministic protocol with a single memory atom in a cavity. We interleave controlled single-photon emissions with tailored atomic qubit rotations to efficiently grow Greenberger-Horne-Zeilinger states of up to 14 photons and linear cluster states of up to 12 photons with a fidelity lower bounded by 76(6)% and 56(4)%, respectively. Thanks to a source-to-detection efficiency of 43.18(7)% per photon we measure these large states about once every minute, orders of magnitude faster than in any previous experiment. In the future, this rate could be increased even further, the scheme could be extended to two atoms in a cavity, or several sources could be quantum mechanically coupled, to generate higher-dimensional cluster states. Overcoming the limitations encountered by probabilistic schemes for photonic entanglement generation, our results may offer a way towards scalable measurement-based quantum computation and communication.

연구 동기 및 목표

• SPDC와 같은 확률적 광학 양자 얽힘 소스의 확장성 한계를 극복하기 위해.
• 단일 원자 큐비트를 양자 메모리로 사용하여 다중 광자 그래프 상태를 결정론적으로 생성하는 프로토콜을 구현하기 위해.
• 단일 원자-공진기 시스템을 통해 고품질, 대규모 광학 얽힘 상태를 달성하기 위해.
• 수요에 따라 자원 상태를 생성함으로써 측정 기반 양자 계산의 확장 가능성을 보장하기 위해.
• 고원천-검출 효율을 갖춘 모듈러이고 확장 가능한 광학 양자 정보 처리 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 고정밀도 광학 공진기 안에 갇힌 단일 87Rb 원자가 양자 메모리이자 광자 원천으로 기능한다.
• 진공 자극된 라만 아디아바틱 통과(vSTIRAP)를 사용하여 고효율로 구분 불가능한 광자를 생성한다.
• 제어된 단일 광자 방출과 맞춤형 원자 큐비트 회전(θ = 0 또는 π/2)을 번갈아 적용하여 얽힘을 설계한다.
• 원자의 고체 구조를 활용하여 내재된 동적 분리 기법을 구현하여 위상 상실을 감소시킨다.
• 전기광학 모듈레이터와 반파장판을 사용하여 고속 기저 전환(Z/X 기저)이 가능한 편광 해상 검출 장치를 통해 광자를 검출한다.
• GHZ 및 클러스터 상태에 대한 안정자 형식 기반의 얽힘 증거를 사용하여 품질도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정밀도 공진기 안의 단일 원자가 결정론적으로 고품질로 대규모 광학 그래프 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 원자 시스템 내재의 동적 분리 기법이 다중 광자 상태 생성 중 위상 상실을 어떻게 완화하는가?
• RQ3 이 결정론적 프로토콜을 통해 GHZ 및 클러스터 상태의 최대 광자 수와 품질도는 얼마인가?
• RQ4 상태 생성 속도 측면에서 이 방법의 원천-검출 효율은 확률적 SPDC 기반 방법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이 플랫폼은 다수의 원천을 모듈러적으로 연결하여 고차원 클러스터 상태를 생성하는 데 응용될 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 이전의 결정론적 및 확률적 기준을 초월하는 76(6)% 이상의 하한 품질도를 갖는 14광자 GHZ 상태를 생성하였다.
• 12광자 선형 클러스터 상태는 56(4)% 이상의 하한 품질도를 기록하여 확장 가능한 자원 상태 준비를 입증하였다.
• 시스템은 광자당 43.18(7)%의 원천-검출 효율을 달성하여 분당 약 1개의 속도로 대규모 얽힘 상태를 생성할 수 있었다.
• 측정 기저에서의 파리티 진동은 진정한 다중 입자 얽힘을 확인하였으며, 1.2 ms 지연 시에도 가시도가 유지되어 강한 위상 일관성이 있음을 시사했다.
• 프로토콜은 내재된 동적 분리 기법을 보였으며, 약 85 µs 지연 시에 가시도 재정렬이 관측되어 위상 상실 효과가 감소함을 입증하였다.
• 이 방법은 SPDC 기반 기술보다 확장성과 속도 면에서 뛰어나며, 한 방향 양자 계산을 향한 결정론적이고 모듈러한 길을 제시한다.