[논문 리뷰] Quantum entanglement between optical and microwave photonic qubits

Srujan Meesala, David P. Lake외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 21.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 공진기와 통합된 압전-광기계 변환기를 사용하여 칩스케일의 얽힌 광학 및 마이크로파 광자 큐비트를 생성한다. 변환기에서 자발적 비선형 분할을 유도하고 이중레일 시간비트 인코딩을 적용함으로써, 저항한계 벨 상태 허상도는 0.794를 기록하였으며, 이는 고전적 한계를 초월하고 초전도 프로세서와 광통신 채널 간의 확장 가능한 양자 네트워크 인터커넥트를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Entanglement is an extraordinary feature of quantum mechanics. Sources of entangled optical photons were essential to test the foundations of quantum physics through violations of Bell's inequalities. More recently, entangled many-body states have been realized via strong non-linear interactions in microwave circuits with superconducting qubits. Here we demonstrate a chip-scale source of entangled optical and microwave photonic qubits. Our device platform integrates a piezo-optomechanical transducer with a superconducting resonator which is robust under optical illumination. We drive a photon-pair generation process and employ a dual-rail encoding intrinsic to our system to prepare entangled states of microwave and optical photons. We place a lower bound on the fidelity of the entangled state by measuring microwave and optical photons in two orthogonal bases. This entanglement source can directly interface telecom wavelength time-bin qubits and GHz frequency superconducting qubits, two well-established platforms for quantum communication and computation, respectively.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서와 광자 큐비트 네트워크 간의 확장 가능한 인터커넥트를 가능하게 하기 위해 단일 칩에 마이크로파-광자 큐비트를 얽힌 상태로 생성하는 것.
• 약한 비선형성, 광학 흡수 및 통합 손실 등의 과제를 해결하기 위해 마이크로파-광자 얽힘 생성 기술을 개선하는 것.
• 마이크로파 및 광자 큐비트 양쪽 모두에 대해 이중레일 인코딩을 활용한 손실에 강인한 이산변수 얽힘 프로토콜을 구현하는 것.
• 다양한 기저에서 동시 측정을 통해 얽힘 허상도를 검증하여 검출 및 수집 손실에 대비한 강건성을 확보하는 것.
• 미래의 양자 정보 처리를 위해 마이크로파 광자 큐비트를 초전도 큐비트에 직접 매핑할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 압전-광기계 변환기를 초전도 운동량 유도 공진기와 통합하여 기계적 진동수를 통해 마이크로파 모드와 광학 모드 간의 강한 결합을 가능하게 한다.
• 변환기에서 자발적 비선형 분할(스파이널 파라메트릭 다운컨버전, SPDC)을 유도하여 상관된 마이크로파 및 광자 쌍을 생성한다.
• 이중레일 인코딩을 적용: 광자 큐비트는 시간비트 인코딩(조기/후기 시간비트)을, 마이크로파 큐비트는 혼성 음향-전기 공진의 결과로 발생하는 수직 모드(+와 −로 표기)를 사용한다.
• 광채널에서 단일광자 이벤트에 대한 사후 선택을 수행하여 계산 하위공간을 분리하고 노이즈 기여를 감소시킨다.
• 조건부 마이크로파 이성간 전압에 대해 최대우도 상태 톰로그래피를 수행하여 밀도 행렬을 재구성하고 허상도 지표를 추출한다.
• 조건부 확률을 기반으로 한 허상도 하한 공식을 적용: $ F_{\text{lb}} = \frac{1}{2}(p_{\text{ee}}+p_{\text{ll}}-p_{\text{el}}-p_{\text{le}} + p_{{++}}+p_{{--}}-2\sqrt{p_{{+-}}p_{{-+}}}) $.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압전-광기계 변환기를 사용하여 칩스케일 장치에서 고정도의 마이크로파-광자 큐비트 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 실제 양자 네트워크에서 요구하는 바와 같이, 광학 및 마이크로파 검출 손실에 대해 얽힘 허상도가 강건한가?
• RQ3 마이크로파 및 광자 영역 모두에서의 이중레일 인코딩이 실험적 노이즈와 유한한 변환 효율 조건에서도 얽힘을 유지할 수 있는가?
• RQ4 펌프 유도 열노이즈가 이러한 시스템에서 달성 가능한 벨 상태 허상도에 어떤 정도 제한을 끼치는가?
• RQ5 생성된 마이크로파 광자 큐비트를 향후 양자 정보 처리를 위해 초전도 큐비트에 위상적으로 매핑할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 $ F_{\text{lb}} = 0.794^{+0.048}_{-0.071} $ 의 하한 벨 상태 허상도를 달성하였으며, 이는 고전적 한계인 0.5를 네 표준편차 이상 초월한다.
• 펌프 유도 열노이즈를 고려한 이론적 모델과 일치하는 결과를 보이며, 이론적 예측 허상도는 0.83 이상을 기대할 수 있다.
• 조건부 마이크로파 상태 톰로그래피를 통해 Z-기저 및 X-기저에서 강한 상관관계를 확인하였으며, 계산 하위공간 내의 항목들은 벨 상태에 대한 기대값과 일치한다.
• 사후 선택 및 이중레일 인코딩 덕분에 비계산 하위공간 기여가 억제되어 손실에 대해 허상도가 강건함을 입증하였다.
• 마이크로파에서 광자로의 변환 효율은 $ \eta_{\text{mw}} = 0.59 $ 로 측정되었으며, 주요 허상도 열화 원인은 유한한 변환 효율에 기인한 진공 성분으로 기인한다.
• 시스템은 마이크로파 광자 큐비트를 초전도 큐비트(예: 트랜스몬 또는 큐트리트)에 직접 매핑할 수 있도록 하며, 최소한의 광학 펌프 교란을 유도한다.