[논문 리뷰] Graph state engineering by phase modulation of the quantum optical frequency comb

Xuan Zhu, Chun-Hung Chang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 24.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 광학 비선형 발진기(OPO)에서 발생하는 양자 광학 주파수 복합체(QOFC)의 단계 조절을 통해 확장 가능한 방법으로 그래프 상태를 설계하는 것을 제안한다. 이는 독립적인 EPR 쌍에서 일차원 선형 클러스터 상태로, 궁극적으로는 이차원 정사각형 격자 클러스터 상태로의 전이를 가능하게 하며, 통합 광학 회로와 높은 호환성을 갖는다.

ABSTRACT

The quantum optical frequency comb (QOFC) of a single optical parametric oscillator (OPO) is a scalable platform for quantum information as a generator of large size cluster states. We show that the phase modulation of the QOFCs emitted by an OPO is a powerful graph engineering technique that can increase the topological dimension of the generated cluster state, from zero (independent EPR pairs) to one (linear cluster state), and from one to two (square-lattice cluster state), thereby allowing the creation and tailoring of universal quantum computing resources. This concept is highly compatible with integrated photonics.

연구 동기 및 목표

• 단일 OPO를 사용하여 대규모 클러스터 상태를 생성하는 확장 가능한 방법을 개발하는 것.
• QOFC의 단계 조절을 통해 양자 그래프 상태의 위상적 제어를 가능하게 하는 것.
• 생성된 클러스터 상태의 차원을 0(EPR 쌍)에서 2(정사각형 격자 상태)로 확장하는 것.
• 보편 양자 정보 처리를 위한 통합 광학 회로와 호환되는 기술을 제공하는 것.

제안 방법

• 단일 광학 비선형 발진기(OPO)에서 방출되는 양자 광학 주파수 복합체(QOFC)에 단계 조절을 적용한다.
• 단계 조절은 QOFC의 얽힘 구조를 변화시켜 그래프 상태 위상도의 제어를 가능하게 한다.
• 단계 조절 패턴을 조절함으로써 시스템은 독립적인 EPR 쌍에서 선형 클러스터 상태로, 그리고 이차원 정사각형 격자 클러스터 상태로의 전이가 가능하다.
• 이 방법은 QOFC 플랫폼의 본질적 확장성 덕분에 다중 모드 얽힘을 생성하는 데 활용된다.
• 실용적인 양자 정보 응용을 위해 통합 광학 회로와의 호환성을 고려하여 설계된 방법이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QOFC의 단계 조절이 점점 더 복잡한 위상적 복잡성을 갖는 그래프 상태를 생성하고 조작할 수 있는가?
• RQ2 단계 조절을 통해 생성된 클러스터 상태의 차원은 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ3 단계 조절 기술은 확장 가능하고 통합 광학 아키텍처와 호환되는가?
• RQ4 이 방법은 측정 기반 양자 계산을 위한 보편 자원을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 단계 조절은 위상 차원이 0(독립적인 EPR 쌍)에서 2(정사각형 격자 클러스터 상태)에 이르는 클러스터 상태의 엔지니어링을 가능하게 한다.
• 이 방법은 단순한 얽힌 쌍에서 복잡한 보편 양자 계산 자원으로의 체계적 전이를 가능하게 한다.
• 이 기술은 단일 OPO를 다중 모드 양자 주파수 복합체의 소스로 사용함으로써 본질적으로 확장 가능하다.
• 이 접근법은 통합 광학과 매우 높은 호환성을 가지며, 칩 내 양자 기술의 실용적 구현을 가능하게 한다.