[논문 리뷰] Quantum Interference of Identical Photons from Remote Quantum Dots

Liang Zhai, Giang N. Nguyen외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 07.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 독립적인 반도체 양자점에서 유래한 동일한 광자를 이용하여 근접 단일성의 이광자 간섭을 구현함으로써 주요 간섭성 문제를 해결한다. 양자 간섭을 활용하여 저자들은 고정밀도 광자 제어-노트 연산과 서로 다른 원천에서 유래한 광자 간의 얽힘을 달성하였으며, 이는 확장 가능한 광자 양자 기술을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Photonic quantum technology provides a viable route to quantum communication, quantum simulation, and quantum information processing. Recent progress has seen the realisation of boson sampling using 20 single-photons and quantum key distribution over hundreds of kilometres. Scaling the complexity requires photonic architectures containing a large number of single photons, multiple photon-sources and photon-counters. Semiconductor quantum dots are bright and fast sources of coherent single-photons. For applications, a significant roadblock is the poor quantum coherence upon interfering single photons created by independent quantum dots. Here, we demonstrate two-photon interference with near-unity visibility using photons from remote quantum dots. Exploiting the quantum interference, we demonstrate a photonic controlled-not circuit and a high-fidelity entanglement between photons of different origins. Our results provide a long-awaited solution to the challenge of creating coherent single-photons in a scalable way. In the near future, they point to a demonstration of quantum advantage using quantum-dot single photons and an implementation of device-independent quantum key distribution.

연구 동기 및 목표

• 독립적인 양자점에서 유래한 광자를 간섭시킬 때 낮은 양자 간섭성 문제를 해결하기 위해.
• 원거리 원천에서 온 광자 간의 고정밀 간섭을 달성하여 확장 가능한 광자 양자 기술을 실현하기 위해.
• 독립적인 양자점에서 온 단일 광자를 이용해 실용적인 양자 회로와 얽힘을 시연하기 위해.
• 양자점 기반 광자 시스템을 이용한 장치 독립형 양자 키 분배 및 양자 우위를 위한 길을 열기 위해.

제안 방법

• 빛나는, 빠른, 그리고 간섭성이 높은 단일 광자 원천으로 반도체 양자점을 활용하기 위해.
• 원거리에 있는 양자점 간 광자의 구분 불가능성을 확보하기 위해 정밀한 스펙트럼 및 시간 필터링을 구현하기 위해.
• 고정밀도로 이광자 간섭의 간섭도를 측정하기 위해 맥스웰-젠더 간섭계를 사용하기 위해.
• 다른 기원에서 온 광자 간의 양자 간섭을 활용하여 광자 제어-노트 게이트를 실현하기 위해.
• 출력 상태의 양자 상태 단층 촬영을 통해 고정밀도의 얽힘을 검증하기 위해.
• 분해상실을 최소화하고 간섭도를 극대화하기 위해 원천 동기화 및 필터링을 최적화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독립적이고 원거리에 있는 양자점에서 온 광자가 근접 단일성의 양자 간섭 간섭도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 다른 양자점에서 온 광자 간의 양자 간섭이 고정밀도의 양자 논리 연산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 서로 다른 양자점에서 기인한 광자 간의 얽힘을 생성하고 검증하는 것이 가능한가?
• RQ4 이 방법이 양자점 원천을 이용한 확장 가능한 광자 양자 정보 처리를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 장치 독립형 양자 키 분배와 같은 실용적 응용을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 이광자 간섭 간섭도가 근접 단일성에 도달하여 원거리에 있는 양자점에서 온 광자의 구분 불가능성이 높음을 입증한다.
• 독립적인 양자점에서 온 광자를 이용하여 광자 제어-노트 게이트가 성공적으로 시연되었다.
• 다른 기원에서 온 광자 간에 고정밀도의 얽힘이 생성되었으며, 양자 상태 단층 촬영을 통해 확인되었다.
• 이 결과는 독립 원천에서의 간섭성 있는 간섭을 가능하게 함으로써 확장 가능한 광자 양자 기술의 주요 장애물을 극복한다.
• 이 방법은 양자점 단일 광자를 이용한 양자 우위를 향한 길을 열어준다.
• 연구 결과는 이 플랫폼을 이용한 장치 독립형 양자 키 분배의 가능성에 대한 지원을 제공한다.