[논문 리뷰] Quantum computation in photonic crystals

Dimitris G. Angelakis, Marcelo F. Santos외 2명|arXiv (Cornell University)|2004. 10. 24.

Photonic Crystals and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 스케일러블 광학 양자 컴퓨팅을 위해 결함 유도 파손파이프를 갖춘 광학 격자에서 광자를 사용하여 강한 비선형 상호작용을 가능하게 한다. 원자 도핑된 선형 결함 체인에 광자를 비축함으로써 시스템은 단일 및 이중 큐비트 양자 게이트를 구현할 만큼 충분한 비선형성을 달성하며, 광학 양자 정보 처리 네트워크를 위한 실현 가능하고 통합 가능한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

Quantum computers require technologies that offer both sufficient control over coherent quantum phenomena and minimal spurious interactions with the environment. We show, that photons confined to photonic crystals, and in particular to highly efficient waveguides formed from linear chains of defects doped with atoms can generate strong non-linear interactions which allow to implement both single and two qubit quantum gates. The simplicity of the gate switching mechanism, the experimental feasibility of fabricating two dimensional photonic crystal structures and integrability of this device with optoelectronics offers new interesting possibilities for optical quantum information processing networks.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 환경적 분리로 인한 양자 제어를 가능하게 하는 광학 플랫폼을 개발한다.
• 선형 광학 시스템에서의 약한 광자-광자 상호작용 문제를 해결하기 위해 설계된 결함를 통해 비선형성을 향상시킨다.
• 광학 격자와 결함 파이프를 사용하여 보편적인 양자 게이트를 실현하는 스케일러블 아키텍처를 보여준다.
• 실용적인 양자 정보 네트워크를 위해 기존의 광전자 기술과의 통합을 가능하게 한다.

제안 방법

• 원자로 도핑된 결함의 선형 체인을 갖춘 광학 격자를 활용하여 광자를 고효율 파이프에 비축한다.
• 원자 도핑된 결함에 의해 유도되는 강한 비선형 상호작용을 활용하여 효과적인 광자-광자 상호작용을 매개한다.
• 광-물질 결합과 비선형성을 향상시키기 위해 국소 모드를 지지하는 결함 구조를 설계한다.
• 결함 파이프 시스템 내에서 광자 상태의 제어된 조작을 통해 양자 게이트 연산을 구현한다.
• 실험적 실현 가능성을 확보하기 위해 2차원 광학 격자 제작 기술과의 호환성을 확보한다.
• 광전자 구성 요소와 시스템을 통합하여 스케일러블 광학 양자 정보 처리를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 도핑된 결함 파이프를 갖춘 광학 격자는 양자 게이트 연산을 위해 충분한 비선형 상호작용을 생성할 수 있는가?
• RQ2 결함 파이프에서의 광자 비축은 스케일러블하고 실험적으로 실현 가능한 방식으로 비선형 효과를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 이 광학 플랫폼을 통해 단일 및 이중 큐비트 양자 게이트는 어느 정도의 수준에서 실현될 수 있는가?
• RQ4 이 시스템은 기존의 광전자 기술과의 통합 잠재력이 어느 정도 있는가?

주요 결과

• 원자 도핑으로 인해 광학 격자의 결함 파이프에 비축된 광자는 효과적인 강한 비선형 상호작용를 나타낸다.
• 제어된 광자 조작을 통해 시스템은 단일 및 이중 큐비트 양자 게이트의 실현을 지원한다.
• 게이트 스위칭 메커니즘은 단순하며 2차원 광학 격자 제조 공정과 호환된다.
• 광전자 기술과의 통합이 가능하여 스케일러블 양자 정보 네트워크 잠재력이 향상된다.
• 이 접근법은 스케일러블하고, 공명적이며, 낮은 분리율을 갖춘 광학 양자 컴퓨팅을 위한 실현 가능한 길을 제공한다.