[논문 리뷰] Quantum Photonic Interconnect

Jianwei Wang, Damien Bonneau외 13명|Bristol Research (University of Bristol)|2015. 08. 13.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 6인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 통합된 2차원 격자 커플러를 사용하여 경로-스핀 얽힌 광자 큐비트를 두 개의 별도된 실리콘 광학 칩 간에 위상-스핀 상호변환을 통해 일관되게 분배하고 조작하는 고정밀도 양자 광학 인터커넥트를 구현한다. 시스템은 벨-치쉬 매개변수 S = 2.638 ± 0.039를 달성하여 칩 간 비국소적 양자 상관관계를 확인하였으며, 스핀 인코딩에서 경로 인코딩으로의 변환 후 경로 인코딩 상태의 상태 허상도 97.6%를 초과한다.

ABSTRACT

Integrated photonics has enabled much progress towards quantum technologies. Many applications, including quantum communication, sensing, and distributed and cloud quantum computing, will require coherent photonic interconnection between separate chip-based sub-systems. Large-scale quantum computing systems and architectures may ultimately require quantum interconnects to enable scaling beyond the limits of a single wafer and towards "multi-chip" systems. However, coherently interconnecting separate chips is challenging due to the fragility of these quantum states and the demanding challenges of transmitting photons in at least two media within a single coherent system. Distribution and manipulation of qubit entanglement between multiple devices is one of the most stringent requirements of the interconnected system. Here, we report a quantum photonic interconnect demonstrating high-fidelity entanglement distribution and manipulation between two separate chips, implemented using state-of-the-art silicon photonics. Path-entangled states are generated and manipulated on-chip, and distributed between the chips by interconverting between path-encoding and polarisation-encoding. We use integrated state analysers to confirm a Bell-type violation of $S$=2.638+-0.039 between two chips. With improvements in loss, this quantum interconnect will provide new levels of flexible systems and architectures for quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 기술을 위한 별도의 칩 기반 양자 시스템 간의 일관된 상호연결을 가능하게 하기 위해.
• 다른 광학 인코딩 방식 간에 칩을 넘어서 전송 및 변환 과정에서 높은 품질의 얽힘을 유지하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 서로 다른 실리콘 광학 칩 간에 광자 큐비트를 분배하고 조작하기 위한 완전히 통합된 온칩 솔루션을 제시하기 위해.
• 실험적 벨-치쉬 부등식 위반과 상태 토모그래피를 통해 인터커넥트 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 스피ral 웨이브가이드 단일 광자 소스를 사용하여 칩-A에서 경로-얽힌 벨 상태를 생성한다.
• 10m의 단일 모드 광섬유를 통해 전송하기 위해 통합된 2차원 격자 커플러(PPC)를 사용하여 큐비트를 경로 인코딩에서 스핀 인코딩으로 일관되게 변환한다.
• 동일한 PPC 구조를 사용하여 칩-B에서 스핀 인코딩을 다시 경로 인코딩으로 전환한다.
• 조정 가능한 위상 시프터(A(θAZ, θAY) 및 B(θBZ, θBY))를 사용하여 두 칩에서 임의의 사영 측정을 수행하고 상관 계수를 측정한다.
• 표준 공식을 사용하여 네 가지 측정 설정을 포함한 측정된 동시 발생 수에서 벨-치쉬 매개변수 S를 계산한다.
• 상태 토모그래피를 수행하여 경로 인코딩 상태의 밀도 행렬을 재구성하고 이상적인 스핀 인코딩 상태와 비교함으로써 상태 허상도를 산출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합된 인터커넥트를 사용하여 두 개의 별도된 실리콘 광학 칩 간에 고정밀도 얽힘을 분배하고 유지할 수 있는가?
• RQ2 손실이나 디코herence 없이 온칩 구성 요소를 사용하여 경로 인코딩과 스핀 인코딩 간에 일관된 상호변환을 수행할 수 있는가?
• RQ3 벨-치쉬 매개변수 S로 측정된 바에 비추어 인터커넥트가 양자 상관관계를 어느 정도 유지하는가?
• RQ4 인터커넥트를 통해 스핀 인코딩에서 경로 인코딩으로의 상태 전송의 허상도는 얼마인가?
• RQ5 이 시스템은 칩 경계를 넘어서 임의의 단일 큐비트 측정과 벨 상태 분석을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 클래스적 한계인 2를 초월하는 벨-치쉬 매개변수 S = 2.638 ± 0.039를 달성하여 칩 간 비국소적 양자 상관관계를 확인하였다.
• 재구성된 경로 인코딩 상태와 이상적인 스핀 인코딩 상태 간의 상태 허상도는 97.66%에서 99.46% 사이로, 고정밀도 상태 전송을 입증하였다.
• 경로-스핀 변환기(PPC)의 과정 매트릭스는 실험적으로 결정되어 두 인코딩 방식 간의 일관된 상호변환이 확인되었다.
• 불필요한 동시 발생 수를 제거한 60초 간의 동시 발생 측정 결과에서 |Φ⟩⁺ 및 |Φ⟩⁻ 벨 상태 모두에 대해 안정적이고 통계적으로 유의미한 상관 계수를 확보하였다.
• 2차원 격자 커플러는 효율적인 경로-스핀 변환기로 기능하여 최소한의 품질 저하로 일관된 상호변환을 가능하게 하였다.
• 결과는 다중 칩 양자 시스템에 적합한 功能성 있고 확장 가능한 양자 광학 인터커넥트 아키텍처를 입증하였다.