[논문 리뷰] Entanglement Detection with Single Hong-Ou-Mandel Interferometry

Chang Jian Kwong, Simone Felicetti외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 01.

Optical Polarization and Ellipsometry인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 시스템 차원이나 모드 수에 관계없이, 단일 홍-오우-만드(HOM) 간섭계와 단 두 개의 검출기만을 사용하여 모든 얽힌 양자 상태를 감지하는 최소 자원 방법을 제안한다. 양자 상태 결합과 궤도 운동량(OAM) 인코딩을 활용하여, 전체 톰로그래피 없이도 두 순수 상태 간의 허상도를 추정함으로써 얽힘을 감지한다. 이는 양자 상태 톰로그래피보다 자원 소모가 적은 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Entanglement is not only fundamental for understanding multipartite quantum systems but also generally useful for quantum information applications. Despite much effort devoted so far, little is known about minimal resources for detecting entanglement and also comparisons to tomography which reveals the full characterization. Here, we show that all entangled states can in general be detected in an experimental scheme that estimates the fidelity of two pure quantum states. An experimental proposal is presented with a single Hong-Ou-Mandel interferometry in which only two detectors are applied regardless of the dimensions or the number of modes of quantum systems. This shows measurement settings for entanglement detection are in general inequivalent to tomography: the number of detectors in quantum tomography increases with the dimensions and the modes whereas it is not the case in estimation of fidelity which detects entangled states.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 측정 자원을 사용하여 모든 얽힌 양자 상태를 실험적으로 감지할 수 있는 방법을 개발하는 것.
• 양자 상태 톰로그래피의 체계적 증가가 시스템 크기에 따라 악화됨을 감안할 때, 얽힘 감지가 전체 양자 상태 톰로그래피를 요구하지 않는다는 것을 보여주는 것.
• 단일 HOM 간섭계를 통한 허상도 추정이 임의의 차원과 다중모드 시스템에서 보편적인 얽힘 감지 도구로 기능할 수 있다는 것을 보여주는 것.
• 현재 광학 기술을 활용하여 실현 가능한 실험적 구현을 가능하게 하는 것, 특히 양자 상태 결합과 OAM 인코딩을 포함하여

제안 방법

• 이 방법은 단일 HOM 간섭계와 단 두 개의 검출기만을 사용하여 두 순수 양자 상태 간의 허상도를 추정한다.
• 양자 상태 결합을 통해 두 광자 큐비트를 하나의 광자로 융합시키며, 이때 편광도와 경로도 자유도에 정보를 인코딩한다.
• 궤도 운동량(OAM) 인코딩은 공간 광학 조절 장치(SLM)를 사용하여 경로 정보를 OAM 상태에 매핑함으로써 실현된다.
• 출력 상태 중 특정 상태(예: 경로 a와 c에서 수평 편광)를 선택하기 위해 후처리 선택(post-selection) 단계를 적용하여 편광과 경로에서 4차원 출력 상태를 얻는다.
• 이 방법은 보존계에서의 뭉치기 효과(bunching effect)에 기반한다. 동일한 불변성을 가진 광자가 분할기에서 간섭함으로써 허상도 추정이 가능해진다.
• 전체 톰로그래피 재구성 없이도, 허상도 추정에서 유도된 얽힘 증거(entanglement witnesses)의 음수 기대값을 관측함으로써 얽힘을 감지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 양자 상태 톰로그래피를 수행하지 않고도 얽힘을 감지할 수 있는가?
• RQ2 시스템 차원이나 모드 수에 관계없이 고정된 수의 검출기로 모든 종류의 얽힌 상태를 감지할 수 있는가?
• RQ3 단일 HOM 간섭계를 통한 허상도 추정이 보편적인 얽힘 감지 프로토콜로 기능할 수 있는가?
• RQ4 현재 광학 기술을 활용하여 최소 자원의 얽힘 감지를 가능하게 하는 실험 기법은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 기법은 힐베르트 공간 차원이나 모드 수에 관계없이 단 두 개의 검출기만을 사용하여 모든 얽힌 상태를 감지한다.
• 이 방법은 단일 HOM 간섭계를 통해 두 순수 양자 상태 간의 허상도를 추정함으로써 보편적인 얽힘 감지를 실현한다.
• 필요한 상태 준비에 대한 후처리 선택 성공 확률은 1/32이며, 이는 현재의 광학 기술로는 실현 가능하다.
• 이 기법은 시스템 크기에 따라 증가하는 자원 소모가 있는 양자 톰로그래피의 문제를 피한다.
• 허상도 추정에서 도출된 얽힘 증거는 전체 측정 세트가 필요 없이도 얽힘 감지를 가능하게 한다.
• 양자 상태 결합과 SLM 기반 OAM 인코딩의 활용은 단일 광자에 다차원 정보를 효율적으로 인코딩할 수 있게 한다.