[논문 리뷰] Generation of entangled states of two traveling modes for fixed number of photon

Xu‐Bo Zou, K. Pahlke외 1명|ArXiv.org|2001. 10. 26.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 순차적 빔스플리터 변환과 조건부 영광자 검출을 사용하여 고정된 총 광자 수를 가진 임의의 두 모드 광자 얽힘 상태를 결정론적으로 생성하는 방법을 제안한다. 이 방법은 $Ψ = \sum_{n=0}^{N} C_n |n\rangle_1 |N-n\rangle_2 $ 형태의 초월 상태를 준비할 수 있으며, 극대 얽힘 상태를 갖는 네 광자 상태를 생성할 경우 성공 확률이 1/16에 이를 수 있으며, 이는 이전의 방법들보다 뛰어나다.

ABSTRACT

We present an scheme to generate entangled state between two traveling modes for fixed number of photon, which is based on beam splitter transformation and conditional zero photon counters.

연구 동기 및 목표

• 고정된 총 광자 수를 갖는 임의의 두 모드 광자 얽힘 상태를 생성하기 위한 확장 가능하고 결정론적인 방법을 개발하기 위해.
• 양자 미측정 및 양자 정보 프로토콜에 필수적인 비정규 얽힘 상태를 준비하는 데 도전하는 데에.
• 기존의 방법들에 비해 고광자 수 얽힘 상태를 생성할 때의 성공 확률을 향상시키기 위해.
• 선형 광학과 조건부 측정을 사용하여 이론적으로 타당하고 실험적으로 실현 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 빔스플리터 변환의 순차적 적용과 조건부 영광자 검출을 통해 $Ψ = \sum_{n=0}^{N} C_n |n\rangle_1 |N-n\rangle_2 $ 형태의 얽힘 상태를 준비한다.
• 상태 계수의 대수적 구조를 활용하여 목표 상태를 특성 다항식의 근으로 매개변수화된 이동 유사 연산자의 곱으로 매핑한다.
• 각 단계는 한 개의 광자를 빔스플리터에 입력한 후, 한 출력 포트에서 영광자 검출을 조건부로 수행하며, 이는 다른 모드에 광자를 조건부로 추가한다.
• 변환 순서는 Baker-Campbell-Hausdorff 공식에서 유도되며, 초기의 한 광자 상태를 목표 N광자 얽힘 상태로 매핑할 수 있도록 한다.
• 조절 가능한 반사율과 투과율을 갖는 빔스플리터의 연쇄 구조와 함께, 진공 결과를 후행 선택하기 위한 온오프 광자 검출기를 사용하여 이론적으로 실현 가능하다.
• 성공 확률은 각 단계에서의 영광자 검출 조건부 확률에 기반하여 재귀적으로 계산되며, 총 성공률에 대한 명시적 공식이 유도되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형 광학과 조건부 측정만을 사용하여 고정된 총 광자 수를 갖는 임의의 두 모드 얽힘 광자 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 목표로 하는 고정 광자 수의 얽힘 상태를 준비하기 위해 최적의 빔스플리터 작동 순서와 조건부 검출을 어떻게 설정할 수 있는가?
• RQ3 목표 얽힘 상태의 광자 수가 증가함에 따라 성공 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 고광자 수 얽힘 상태 생성에서 성공 확률 측면에서 기존 프로토콜을 능가할 수 있는가?
• RQ5 검출기 감도와 광자 소스 요구 조건과 같은 실험적 제약 조건은 이 방법의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 방법은 빔스플리터와 조건부 영광자 검출만을 사용하여 $Ψ = \sum_{n=0}^{N} C_n |n\rangle_1 |N-n\rangle_2 $ 형태의 임의의 두 모드 얽힘 상태를 결정론적으로 준비할 수 있다.
• 극대 얽힘 상태인 네 광자 상태 $Ψ = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_1|4\rangle_2 - |4\rangle_1|0\rangle_2 $ 를 생성할 경우의 성공 확률은 1/16이다.
• 이 성공 확률은 동일한 상태를 위해 3/64의 성공 확률을 달성한 Ref. [20]의 방법보다 높다.
• 상태 계수에서 유도된 특성 다항식의 근을 통해 재귀적으로 정의된 연산을 사용하므로, 원칙적으로 확장 가능하다.
• 이 방법은 진공 상태를 한 개 이상의 광자와 구분할 수 있는 고효율 광자 수 해상도 검출기를 요구한다.
• 이론적 프레임워크는 빔스플리터의 매개변수와 검출 조건을 올바르게 선택했을 경우 출력 상태가 목표 상태와 정확히 일치함을 보여줌으로써 검증되었다.