[논문 리뷰] Macroscopic Single-Qubit Operation for Coherent Photons

Shinichi Saito|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 30.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 86인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 컴퓨터 제어된 광학 조절기를 사용하여 매크로스코픽인 일관된 광자 상태에서 임의의 단일 큐비트 연산을 가능하게 하는 섬유광학 Poincaré 회전자(rotator)를 제안한다. SU(2) 변환을 통해 Poincaré 구면 상에서 편광 상태를 동적으로 회전시킴으로써, 최대 100개의 구별 가능한 양자 상태를 실현하고, C60 및 지구의 해안선과 같은 복잡한 구조를 성공적으로 매핑함으로써 확장 가능한 광학 큐비트 제어를 입증한다.

ABSTRACT

Polarisation is described by an $SU(2)$ wavefunction due to macroscopic coherence of photons emitted from a ubiquitous laser source, and thus, a laser pulse is expected to behave as a macroscopic quantum bit (qubit), i.e., a qubit realised by a macroscopic number of photons. Here, we show that an arbitrary single-qubit operation can be carried out for such a macroscopic qubit by employing optical modulators, together with standard optical plates, in a computer-controlled fibre-optic configuration. We named the device as a Poincaré rotator, which allows a dynamic control over a polarisation state by executing an arbitrary amount of rotations on the Poincaré sphere. The Poincaré rotator works as an arbitrary $SU(2)$ operator in a Lie group, by combining a $U(1)$ operation to change the phase and another $U(1)$ operation to change the amplitude of the wavefunction. We have realised various polarisation states, such as $4 imes 4=16$, $8 imes 8=64$, and $10 imes 10=100$ distinguishable states on the sphere. As a locus of the realised polarisation states on the sphere, we have successfully drawn the molecular structure of Buckminsterfullerene (C$_{60}$) and the coastline of the earth.

연구 동기 및 목표

• 레이저에서 유도된 매크로스코픽 광자 수의 일관된 상태가 그들의 편광 상태를 통해 단일 큐비트로 기능할 수 있음을 입증하는 것.
• 광학 큐비트에 대해 임의의 SU(2) 연산을 수행할 수 있는 실용적이고 컴퓨터 제어 가능한 광학 장치를 개발하는 것.
• Poincaré 구면상에서 복잡한 기하학적 패턴을 구현하기 위해 편광 상태에 대해 고정밀도 동적 제어를 실현하는 것.
• 구조적 상태 시퀀스의 실험적 실현을 통해 매크로스코픽 광학 큐비트가 양자 정보 작업에 활용될 수 있는 가능성을 검증하는 것.

제안 방법

• 전기광학 조절기와 표준 광학 플레이트를 사용한 섬유광학 구성을 활용하여 동적 편광 제어를 실현하는 것.
• Poincaré 구면상에서 임의의 SU(2) 변환을 생성하기 위해 두 개의 독립적인 U(1) 연산—위상 이동 및 진폭 조절—을 사용하는 것.
• 임의의 파동형태 생성기(AWG)를 통해 조절기의 정밀한 전압 펄스를 구동하기 위해 임의의 회전 시퀀스를 프로그래밍하는 것.
• 기하학적 데이터(예: C60 구조, 지구의 해안선)를 Poincaré 구면상의 (γ, δ) 각도 시퀀스로 매핑하고, 이를 조절기의 전압으로 변환하는 것.
• 실시간으로 스튜어트 매개변수(S₁, S₂, S₃)를 측정하여 편광 궤적을 검증하고 상태 진화의 정밀도를 확보하는 것.
• 반복 제로(AWG) 출력으로 인한 신호 리플 및 심볼 간 간섭을 최소화하기 위해 200 ns 펄스 주기를 적용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 펄스와 같은 매크로스코픽 일관된 광자 상태가 제어 가능한 SU(2) 연산을 통해 단일 큐비트로 간주될 수 있는가?
• RQ2 표준 섬유광학 구성 요소와 컴퓨터 제어를 사용하여 광학 큐비트에 대해 임의의 단일 큐비트 연산을 구현하는 것이 가능한가?
• RQ3 C60 분자의 구조나 지구의 해안선과 같은 복잡한 기하학적 구조가 Poincaré 구면상의 편광 상태 시퀀스로 충실하게 표현될 수 있는가?
• RQ4 이 설정을 통해 실험적으로 실현할 수 있는 최대 구별 가능한 편광 상태 수는 얼마인가?

주요 결과

• Poincaré 회전자는 단지 두 가지 U(1) 연산—위상 조절 및 진폭 조절—만을 사용하여 매크로스코픽 광학 큐비트에 대해 임의의 SU(2) 연산을 성공적으로 실현한다.
• 시스템은 Poincaré 구면상에서 16개, 64개, 100개의 구별 가능한 편광 상태를 실현하였으며, 10×10 구성에서 100개의 고유 상태를 달성하였다.
• Buckminsterfullerene(C60)의 분자 구조는 60개의 정점이 있는 왼쪽 해밀토니안 경로를 사용하여 Poincaré 구면상에 정확하게 매핑되었다.
• 모든 화학 결합은 각 정점과 그 세 개의 가장 가까운 이웃 정점을 방문함으로써 성공적으로 표현되었으며, 이로 인해 각 정점은 총 세 번 방문되었다.
• 지구의 해안선은 지리적 좌표를 조절기의 전압 시퀀스로 변환하여 Poincaré 구면상에 성공적으로 그려냈다.
• AWG의 리플로 인한 신호 왜곡은 펄스 주기를 200 ns로 증가시킴으로써 완화되었으며, 이는 편광 상태 간의 청결한 전이를 보장하였다.