[논문 리뷰] Heralded three-photon entanglement from a single-photon source on a photonic chip

Si Chen, Lichao Peng외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 05.

Neural Networks and Reservoir ComputingComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반도체 양자점 소스에서 유도된 여섯 개의 구분 불가능한 단일 광자와 완전히 프로그래밍 가능한 광학 칩을 사용하여, 허르드드된 삼광자 그린버거-호른-زع릴링거(GHZ) 상태를 처음으로 실험적으로 생성하는 데 성공했다. 결정성 단일 광자 소스와 위상 조절 가능한 막스-젠더 간섭계를 갖춘 유니타리 광학 회로를 활용하여 팀은 3-GHZ 상태의 허상도를 $0.573 \pm 0.024$로 도출하였으며, 이는 고전적 한계를 초월하고 스케일러블하고 고장 내성 있는 광학 양자 컴퓨팅을 위한 핵심 이정표로 평가된다.

ABSTRACT

In the quest to build general-purpose photonic quantum computers, fusion-based quantum computation has risen to prominence as a promising strategy. This model allows a ballistic construction of large cluster states which are universal for quantum computation, in a scalable and loss-tolerant way without feed-forward, by fusing many small n-photon entangled resource states. However, a key obstacle to this architecture lies in efficiently generating the required essential resource states on photonic chips. One such critical seed state that has not yet been achieved is the heralded three-photon Greenberger-Horne-Zeilinger (3-GHZ) state. Here, we address this elementary resource gap, by reporting the first experimental realization of a heralded dual-rail encoded 3-GHZ state. Our implementation employs a low-loss and fully programmable photonic chip that manipulates six indistinguishable single photons of wavelengths in the telecommunication regime. Conditional on the heralding detection, we obtain the desired 3-GHZ state with a fidelity 0.573+-0.024. Our work marks an important step for the future fault-tolerant photonic quantum computing, leading to the acceleration of building a large-scale optical quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 융합 기반 양자 계산에 필수적인 자원 상태인 고신뢰도의 허르드드된 삼광자 GHZ 상태를 생성하는 데 있어 핵심적인 격차를 해소하기 위해.
• 통합 광학 칩을 활용한 확장 가능하고 손실에 강한 광학 양자 컴퓨팅 아키텍처를 구현하기 위해.
• 자발적 파라메트릭 분할과 같은 확률적 소스의 한계를 극복하기 위해 결정성 양자점 단일 광자 소스를 활용하기 위해.
• 허르드링을 통한 near-결정성 다중광자 얽힘 준비를 통해 고장 내성 양자 계산을 실현하기 위해.

제안 방법

• 열린 마이크로캐비티에 내장된 반도체 양자점 기반의 고순도, 통신 파장 대역 단일 광자 소스를 사용하였다.
• 저손실 전송과 섬유 네트워크 호환성을 위해 광자를 통신 대역으로 이동시키기 위해 양자 주파수 변환기를 적용하였다.
• 단일 소스에서 여섯 개의 구분 불가능한 단일 광자 소스를 생성하기 위해 결정성 광학 분할 기술을 구현하였다.
• 12개의 분광기(전송율 1/2, 1/4, 2/3)와 두 개의 π위상 이동소자를 갖춘 완전히 프로그래밍 가능한 광학 칩을 사용하여 3-GHZ 상태 생성을 위한 유니타리 변환을 실현하였다.
• 성공적인 상태 준비를 확인하기 위해 네 개의 출력 모드(7–10)에서 허르드링 검출을 실시하였으며, 위상 조절 가능한 막스-젠더 간섭계를 통해 밀도 행렬의 전체 토모그래피 특성 분석이 가능하도록 하였다.
• 다양한 기저에서 국소적 프로젝션 측정을 수행하여 밀도 행렬을 재구성하고, 허상도 및 일관성 정도를 계산하기 위해 양자 상태 토모그래피를 수행하였다.

Figure 1: The heralded generation scheme for a 3-GHZ state. Six single photons are prepared at the input ports of a linear optical circuit, where we can describe the initial input quantum state as $\lvert{\psi_{in}}\rangle=\lvert{1011010110}\rangle$ with 0 and 1 being the number of photons in each m

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정성 단일 광자 소스를 사용하여 광학 칩 상에서 허르드드된 삼광자 GHZ 상태를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 여섯 개의 구분 불가능한 광자를 사용하여 프로그래머블 선형 광학 회로를 통해 허르드드된 3-GHZ 상태를 생성할 경우, 달성 가능한 허상도는 얼마인가?
• RQ3 허르드링 효율성과 확장성 측면에서 전통적인 소스인 자발적 파라메트릭 분할과 비교하여 양자점 기반 단일 광자 소원의 성능은 어떠한가?
• RQ4 현재의 광학 통합 및 소스 기술 수준에서 허르드링 효율은 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 제시된 방법론이 융합 기반 양자 계산을 위한 확장 가능하고 고장 내성 있는 기본 구성 요소로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 3-GHZ 상태의 허상도가 $0.573 \pm 0.024$로 측정되었으며, 이는 고전적 한계인 0.5를 3개 이상의 표준편차 초과하여 넘어서는 성과이다.
• 삼 큐비트 GHZ 상태의 일관성은 $C = 0.389 \pm 0.040$로 측정되어 강한 양자 상관관계를 확인하였다.
• 계산 기저 상태 $|000\rangle_d$와 $|111\rangle_d$의 인구 비율은 $P = 0.758 \pm 0.025$로 측정되어 엽합된 성분에서 높은 인구 비율을 나타내었다.
• 단일 광자 소스는 매우 우수한 순도를 보였으며, $g^{2}(0) = 0.026(6)$로 측정되어 강한 반구성성을 확인하였다.
• 광자 쌍 간의 구분 불가능성은 0.86에서 0.88 사이로 측정되어 높은 일관성을 나타내었다.
• 검출기 비효율성 보정 후 허르드링 효율은 약 $\sim 0.0005$로 실험적으로 측정되었으며, 소스 및 회로 효율 향상으로 인해 크게 향상될 잠재력이 있다.

Figure 2: The experimental setup. A single InAs/GaAs quantum dot, resonantly coupled to an open microcavity, is used to produce pulsed resonance fluorescence single photons. The wavelength of these single photons in near-infrared is then converted into telecom-wavelength of 1550 nm with a quantum fr