[논문 리뷰] Production and applications of non-Gaussian quantum states of light

A. I. Lvovsky, Philippe Grangier외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 30.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 15인용 수 29

한 줄 요약

이 리뷰는 연속변수 기법을 사용하여 빛의 비가우시안 양자 상태의 생성 및 응용을 체계적으로 탐구한다. 주요 방법으로는 광자 제거, 조건부 호모다인 검출 및 양자 톰그래피를 중심으로 하며, 이들 비가우시안 상태—유니버설 양자 정보 처리에 필수적인 상태—가 실험적으로 실현되고 특성화될 수 있음을 보여준다. 이는 양자 통신 및 양자 계산 분야에서 고도의 프로토콜을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This review covers recent theoretical and experimental efforts to extend the application of the continuous-variable quantum technology of light beyond "Gaussian" quantum states, such as coherent and squeezed states, into the domain of "non-Gaussian" states with negative Wigner functions. Starting with basic Gaussian nonclassicality associated with single- and two-mode vacuum states produced by means of parametric down-conversion and applying a set of standard tools, such as linear interferometry, coherent state injection, and conditional homodyne and photon number measurements, one can implement a large variety of optical states and processes that are relevant in fundamental quantum physics as well as quantum optical information processing. We present a systematic review of these methods, paying attention to both fundamental and practical aspects of their implementation, as well as a comprehensive overview of the results achieved therewith.

연구 동기 및 목표

• 가우시안 상태(예: 위상 일치 상태 및 압축 상태 포함)를 초월하여 빛의 비가우시안 양자 상태를 생성하는 데 있어 이론적 및 실험적 진전을 종합적으로 개괄하는 것.
• 음의 위그너 함수를 가진 비가우시안 상태를 생성하는 데 핵심이 되는 기법—예를 들어 조건부 측정, 광자 수 측정, 호모다인 검출—를 특정하고 분석하는 것.
• 특히 양자 통신 및 선형 광학 양자 컴퓨팅의 맥락에서, 이러한 기법들의 성능 및 확장성 평가.
• 비가우시안 상태의 결정적, 고효율성, 고정밀도 준비에 도전하는 점들을 부각하고, 이를 극복하기 위한 진전을 평가하는 것.

제안 방법

• 비가우시안 상태 엔지니어링의 기초로 단일 및 이중 모드 압축 진공 상태를 생성하기 위해 비선형 주변 분광을 활용한다.
• 광자 제거 및 조건부 호모다인 측정을 통해 슈뢰딩거 고양이 상태 및 포크 상태와 같은 비가우시안 상태를 사영적으로 준비한다.
• 호모다인 검출을 통한 양자 톰그래피를 적용하여 비가우시안 상태의 밀도 행렬을 재구성함으로써 비고전적 성질을 완전히 특성화한다.
• 선형 간섭계와 일관된 상태 주입을 조합하여 연속변수 프레임워크 내에서 임의의 초위상 및 얽힌 상태를 실현한다.
• 통합 광학 플랫폼과 마이크로리조너를 통합하여 빛-물질 상호작용을 강화하고 비가우시안 상태 생성의 효율성과 안정성을 향상시킨다.
• 이산 및 연속변수 양자 시스템을 연결하기 위해 원자 메모리와 마이크로파-광학 변환기와 같은 하이브리드 접근법을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속변수 기법을 사용하여 비가우시안 빛의 양자 상태를 결정적으로 효율적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 광자 제거 및 조건부 측정과 같은 현재 비가우시안 상태 생성 기법의 근본적 및 실용적 한계는 무엇인가?
• RQ3 특히 음의 위그너 함수를 가진 상태의 경우, 양자 톰그래피가 밀도 행렬을 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ4 비가우시안 상태가 가우시안 상태만으로는 불가능한 유니버설 양자 정보 처리 작업을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 통합 광학 플랫폼에서의 확장 가능한 비가우시안 상태 소스의 핵심 성능 지표—예를 들어 빛의 밝기, 구분 불가능성, 효율성—는 무엇인가?

주요 결과

• 압축 진공에서의 광자 제거 및 조건부 호모다인 측정을 통해 슈뢰딩거 고양이 상태 및 포크 상태와 같은 비가우시안 상태가 실험적으로 생성되었다.
• 호모다인 검출 기반의 양자 톰그래피를 통해 비가우시안 상태의 밀도 행렬을 완전히 재구성하였으며, 음의 위그너 함수의 확인이 가능해졌다.
• 보상된 단일 광자 상태와 광자를 추가하거나 제거한 압축 상태가 고정밀도로 구현되어 양자 텔레포테이션 및 얽힘 정련 응용에 기여하였다.
• 통합 광학 플랫폼과 마이크로리조너를 통해 비가우시안 상태 생성 및 검출의 효율성과 안정성이 크게 향상되었다.
• 원자 라이드버그 및 고체 상태 양자점 시스템을 이용한 비가우시안 상태의 결정적 소스는 고광도, 반상관성, 구분 불가능성을 확보하여 실용적 확장성에 가까이 다가섰다.
• 원자 메모리와 광 모드를 조합한 하이브리드 시스템을 통해 효율적인 양자 상태 전송 및 저장이 가능해졌으며, 보상된 상태에서 음의 위그너 함수가 관측되었다.