[논문 리뷰] High-fidelity generation of four-photon GHZ states on-chip

Mathias Pont, Giacomo Corrielli외 18명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 28.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 양자점 기반 단광자 소스와 저손실 재구성 가능한 유리 광학 회로를 사용하여 칩 내에서 네 포톤 그린버거-호른-زع릴링거(GHZ) 얽힌 상태를 고정밀도로 생성하는 것을 보여준다. 이는 목표로 하는 GHZ₄ 상태와 86.0 ± 0.4%의 편밀도를 달성했으며, 39 표준편차 이상의 벨 유사 부등식 위반을 통해 얽힘을 인증하였고, 10.87%의 큐비트 오류율을 가진 네 당사자 양자 비밀 공유 프로토콜을 실현하였다.

ABSTRACT

Mutually entangled multi-photon states are at the heart of all-optical quantum technologies. While impressive progresses have been reported in the generation of such quantum light states using free space apparatus, high-fidelity high-rate on-chip entanglement generation is crucial for future scalability. In this work, we use a bright quantum-dot based single-photon source to demonstrate the high fidelity generation of 4-photon Greenberg-Horne-Zeilinger (GHZ) states with a low-loss reconfigurable glass photonic circuit. We reconstruct the density matrix of the generated states using full quantum-state tomography reaching an experimental fidelity to the target $|{ ext{GHZ}_4} angle$ of $\mathcal{F}_{ ext{GHZ}_4} (86.0\pm0.4)\,\%$, and a purity of $\mathcal{P}_{ ext{GHZ}_4}=(76.3\pm0.6)\,\%$. The entanglement of the generated states is certified with a semi device-independent approach through the violation of a Bell-like inequality by more than 39 standard deviations. Finally, we carry out a four-partite quantum secret sharing protocol on-chip where a regulator shares with three interlocutors a sifted key with up to 1978 bits, achieving a qubit-error rate of $10.87\,\%$. These results establish that the quantum-dot technology combined with glass photonic circuitry for entanglement generation on chip offers a viable path for intermediate scale quantum computation and communication.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 고정밀도 칩 내 네 포톤 GHZ 얽힌 상태 생성.
• 대체로 광학 장치와 자유공간 설정의 확장성 한계를 극복하기 위해 양자점 기반 단광자 소스를 재구성 가능한 광학 회로와 통합.
• 생성된 상태에 대한 완전한 양자 상태 단층촬영과 반장치 독립적 얽힘 인증을 수행.
• 생성된 GHZ 상태를 사용하여 칩 내에서 네 당사자 양자 비밀 공유 프로토콜을 실현하고 검증.

제안 방법

• 저손실 통합 회로와 호환되는 통신 파장에서 방출되는 밝고 결정적인 양자점 기반 단광자 소스를 사용.
• 저손실 및 재구성 가능한 특성을 지닌 파장 간섭형 레이저로 기록된 유리 광학 회로와 함께 열적 위상 시프터를 통합.
• 생성된 네 포톤 상태의 밀도 행렬을 재구성하기 위해 완전한 양자 상태 단층촬영을 수행.
• 측정 독립성과 직접적인 인과적 영향 없음을 가정한 반장치 독립적 벨 유사 부등식 테스트를 적용하여 비고전적 상관관계를 인증.
• 조절자가 세 명의 당사자와 기저에 따라 측정 결과를 사용해 필터링된 키를 공유하는 네 당사자 양자 비밀 공유 프로토콜을 적응.
• 후처리 및 기저 재결합을 통해 필터링된 키를 추출하고, 공개적으로 교환된 테스트 비트를 통해 오류율을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합된 양자점 소스를 사용하여 재구성 가능한 광학 칩에서 고정밀도 네 포톤 GHZ 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 칩 내 광학 회로가 얽힘 편밀도를 얼마나 잘 유지하고, 전체 상태 재구성을 가능하게 하는가?
• RQ3 칩 기반 설정에서 반장치 독립적 벨 유사 부등식 테스트를 통해 네 포톤 GHZ 상태의 비고전적 상관관계를 인증할 수 있는가?
• RQ4 생성된 얽힌 상태를 사용하여 칩 내에서 작동 가능한 네 당사자 양자 비밀 공유 프로토콜을 실현하고 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 완전한 양자 상태 단층촬영을 통해 실험은 이상적인 네 포톤 GHZ 상태와 86.0 ± 0.4%의 편밀도를 달성하였다.
• 생성된 상태는 순도 76.3 ± 0.6%를 나타내어 높은 공명성과 낮은 노이즈를 보였다.
• 39 표준편차 이상의 유의미한 수준에서 벨 유사 부등식 위반을 관측하여 진정한 양자 얽힘을 인증하였다.
• 칩 기반 시스템은 큐비트 오류율 10.87%와 최대 1978비트의 필터링된 키를 가진 네 당사자 양자 비밀 공유 프로토콜을 가능하게 하였다.
• 열적 교차 간섭이 주요 잠재적 인과적 영향 원인으로 확인되었지만, 특성 분석을 통해 무시할 만큼 미미함을 입증하여 반장치 독립적 인증의 타당성을 뒷받침하였다.
• 파장 간섭형 레이저로 기록된 유리 회로와 양자점 기반 단광자 소스의 통합은 고정밀도, 확장 가능한 광학 양자 기술 플랫폼을 가능하게 한다.