[논문 리뷰] Quantum Homodyning of Photonic Qubits, Qutrits and Ququads Emitted on Demand from an Atomic Source

Peter B. R. Nisbet-Jones, Jerome Dilley외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 26.

Quantum Information and Cryptography인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 원자-캐비티 시스템에서 요구에 따라 방출되는 협대역 광자에 쿠딧(qudits, 큐비트, 큐트리트, 큐쿼드)을 결정적이고 고정밀도로 인코딩하는 것을 보여준다. 새로운 시간 해상도를 갖춘 양자 호모다인 기술을 사용하여, 500 ns의 공명 시간 창 내에서 95% 이상의 편의도를 달성하였으며, 이는 공명 시간-빈도 인코딩을 활용한 확장 가능한 선형 광학 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Reliable encoding of information in quantum systems is crucial to all approaches to quantum information processing or communication. This applies in particular to photons used in linear optics quantum computing (LOQC), which is scalable provided a deterministic single-photon emission and preparation is available. Here, we show that narrowband photons deterministically emitted from an atom-cavity system fulfill these requirements. Within their 500 ns coherence time, we demonstrate a subdivision into d time bins of various amplitudes and phases, which we use for encoding arbitrary qu-d-its. The latter is done deterministically with a fidelity >95% for qubits, verified using a newly developed time-resolved quantum-homodyne method.

연구 동기 및 목표

• 원자 소스에서 방출되는 광자에 대해 쿠딧 상태(큐비트, 큐트리트, 큐쿼드)를 결정적이고 고정밀도로 준비하는 것.
• 장수명 공명 시간을 갖는 신뢰할 수 있는 요구에 따라 방출되는 단일 광자 방출을 통해 확장 가능한 양자 정보 처리에 도전하는 것.
• 시간 도메인에서 쿠딧 상태의 편의도를 측정하고 검증하기 위해 시간 해상도를 갖춘 양자 호모다인 방법을 개발하고 적용하는 것.
• 협대역 광자가 원자-캐비티 시스템에서 유도하는 공명 시간-빈도 인코딩이 양자 정보 처리에 적합한 다중 수준의 일관성 있는 인코딩을 지원하는지 보여주는 것.

제안 방법

• 500 ns의 공명 시간을 갖는 협대역 광자를 생성하기 위해 결정적이고 요구에 따라 작동하는 원자-캐비티 시스템 기반 단일 광자 소스를 사용한다.
• 공명 시간 창을 d개의 독립적인 시간 빔으로 분할하여 쿠딧 인코딩을 위한 제어 가능한 진폭과 위상을 갖춘 시간 빔을 사용한다.
• 실시간으로 방출된 광자의 양자 상태를 측정하기 위해 새로 개발된 시간 해상도 양자 호모다인 검출 기술을 적용한다.
• 호모다인 측정 데이터를 사용하여 준비된 쿠딧 상태의 재구성과 편의도 검증을 수행하며, 큐비트의 경우 95% 이상의 편의도를 달성한다.
• 호모다인 데이터를 사용하여 시간 빔 인코딩 상태의 상태 토모그래피를 수행하여 준비 정확도를 확인한다.
• 동일한 실험 장치와 측정 프로토콜을 사용하여 다수의 쿠딧 차원(d=2,3,4)에서 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정적이고 요구에 따라 방출되는 원자-캐비티 시스템에서의 단일 광자 방출이 시간 빔에 쿠딧을 고정밀도로 인코딩하는 데 적합한가?
• RQ2 시간 해상도를 갖춘 양자 호모다인 기술이 쿠딧 상태 준비의 고정밀도를 검증하기에 충분한 시간 해상도와 민감도를 갖는가?
• RQ3 500 ns의 공명 시간을 갖는 협대역 광자의 시간 빔에 인코딩된 쿠딧 상태에서 도달 가능한 최대 편의도는 얼마인가?
• RQ4 제안된 방법이 동일한 소스와 측정 프레임워크를 사용하여 다양한 쿠딧 차원(큐비트, 큐트리트, 큐쿼드)에서 확장 가능하고 내구성이 있는가?

주요 결과

• 원자-캐비티 시스템은 500 ns의 공명 시간을 갖는 협대역 광자를 생성하여 쿠딧의 안정적인 시간 빔 인코딩을 가능하게 한다.
• 시간 해상도를 갖춘 양자 호모다인 방법은 높은 시간 해상도로 시간 빔 인코딩 쿠딧의 양자 상태를 성공적으로 측정하고 검증한다.
• 큐비트의 경우, 호모다인 데이터를 사용한 상태 토모그래피를 통해 준비된 상태의 편의도가 95%를 초과하는 것으로 확인되었다.
• 이 방법은 확장 가능하며 큐트리트와 큐쿼드의 인코딩에 적용 가능하여 다중 수준의 시간 빔 인코딩의 실현 가능성을 입증한다.
• 결과는 결정적이고 고정밀도의 쿠딧 인코딩이 장수명 공명 시간을 갖는 단일 광자 소스에서 실현 가능하다는 것을 확인한다.
• 실험적 접근법은 선형 광학 양자 계산에 필수적인 조건인 시간 도메인에서의 신뢰성 있고 반복 가능한 임의의 쿠딧 상태 준비를 가능하게 한다.