[논문 리뷰] Quantifying n-photon indistinguishability with a cyclic integrated interferometer

Mathias Pont, Riccardo Albiero외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 31.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 광학 양자 시스템에서 진정한 n-포톤 불구분성(indistinguishability)을 직접 측정할 수 있는 확장 가능하고 낮은 깊이의 순환 다중포트 간섭계를 제시한다. n개의 포톤을 주입하고 내부 위상에 따라 양자 간섭 무늬의 가시도를 측정함으로써, 이 방법은 직접적이고 실험적으로 접근 가능한 불구분성의 척도를 제공한다. 이는 8모드 통합 간섭계를 이용해 4포톤에 대해 실험적으로 입증되었으며, 측정된 불구분성은 0.81 ± 0.03이다.

ABSTRACT

We report on a universal method to measure the genuine indistinguishability of n-photons - a crucial parameter that determines the accuracy of optical quantum computing. Our approach relies on a low-depth cyclic multiport interferometer with N = 2n modes, leading to a quantum interference fringe whose visibility is a direct measurement of the genuine n-photon indistinguishability. We experimentally demonstrate this technique for a 8-mode integrated interferometer fabricated using femtosecond laser micromachining and four photons from a quantum dot single-photon source. We measure a four-photon indistinguishability up to 0.81$\pm$0.03. This value decreases as we intentionally alter the photon pairwise indistinguishability. The low-depth and low-loss multiport interferometer design provides an efficient and scalable path to evaluate the genuine indistinguishability of resource states of increasing photon number.

연구 동기 및 목표

• 광학 양자계산을 위한 핵심 자원인 진정한 n-포톤 불구분성을 측정하기 위한 보편적이고 확장 가능한 방법을 개발하는 것.
• 쌍별 HOM 간섭계와 기존의 경계 조건의 한계를 극복하여 다중포톤 불구분성을 완전히 특성화하지 못하는 문제를 해결하는 것.
• 억제 법칙이나 증거에 의존하지 않고도 직접적으로 정량적으로 불구분성을 측정할 수 있는 낮은 깊이, 낮은 손실 간섭계 아키텍처를 설계하는 것.
• 양자점 단일 포톤 소스를 이용한 통합 8모드 간섭계를 통해 이 방법을 4포톤에 대해 실험적으로 검증하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 N = 2n 모드를 가지며, 빔 스플리터의 계층이 오직 두 층인 순환 다중포트 간섭계를 사용하여, n에 관계없이 낮은 광학 깊이를 확보한다.
• 간섭계의 내부 위상 α₁을 조절하여 진정한 n-포톤 불구분성에 비례하는 가시도를 갖는 양자 간섭 무늬를 생성한다.
• 출력 확률 분포를 α₁의 함수로 모델링하며, 무늬의 가시도에서 추출한 계수 c₁은 진정한 n-포톤 불구분성과 직접적인 비례 관계를 가진다. 여기서 c₁ = 0은 완전히 구분 가능한 포톤, c₁ = 1은 완전히 불구분 가능한 포톤을 의미한다.
• 방향성 커플러의 투과율 편차, 손실, 비균형 탐지 효율성 등의 실험적 불완전성을 校정된 매개변수를 사용하여 모델링하고 보정함으로써 정확도를 향상시킨다.
• 밀도 행렬 전개를 통한 전체 양자 상태 시뮬레이션을 수행하며, 두 포톤 간 중첩도 M_ij와 g^(2)(0)을 고려하여 다중포톤 방출과 부분적 불구분성을 반영한다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 예측된 c₁ 값과 실험 데이터를 비교함으로써 모델을 검증하였으며, 다중포톤 방출, DC 불완전성, 탐지 불균형을 보정한 후 양호한 일치를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 가능하고 낮은 깊이의 간섭계 아키텍처를 설계하여 진정한 n-포톤 불구분성을 직접 측정할 수 있는가?
• RQ2 순환 다중포트 간섭계에서의 양자 간섭 무늬의 가시도는 진정한 n-포톤 불구분성과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 다중포톤 방출, 방향성 커플러의 편차, 탐지 비효율성 등의 실험적 불완전성이 불구분성 측정에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 이 방법은 n > 2, 특히 4포톤 상태에 대해 실험적으로 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 8모드 통합 간섭계를 이용해 피크 펌프 레이저 마이크로머신 공정을 통해 제작한 장치를 사용하여 실험적으로 측정한 4포톤 불구분성은 0.81 ± 0.03에 도달하였다.
• 쌍별 포톤 불구분성을 의도적으로 감소시킬 경우 불구분성 측정값이 감소하는 것으로 나타나, 이 방법이 진정한 다중포톤 간섭성에 민감함을 확인하였다.
• 수치적 시뮬레이션 결과, 주요 오차 원인은 다중포톤 방출로 기여도 약 0.07이며, 방향성 커플러의 불완전성과 탐지 불균형은 각각 약 0.001씩 기여하였다.
• 예측된 보정된 c₁^mod = 0.590 ± 0.005 값이 실험 측정값 c₁ = 0.61 ± 0.01과 일치하여 이론 모델의 타당성을 검증하였다.
• 이 방법은 진정한 n-포톤 불구분성을 효과적으로 분리하고 정량화하였으며, 쌍별 HOM 측정법과 억제 기반 증거의 한계를 피하였다.
• 낮은 깊이(두 층)의 설계는 확장 가능성을 보장하여 더 큰 광학 자원 상태의 불구분성 평가에 적합하다.