[논문 리뷰] Quantum Tomography of Inductively-Created Large Multiphoton States

E. Megidish, Ayelet Halevy외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 11.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유도적 융합를 통해 생성된 대규모 다광자 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 상태를 자원 효율적으로 완전히 특성화하는 방법을 제시한다. 두 광자 소스와 융합 과정을 실험적으로 톰그래피하여, 최대 12개 광자를 포함한 GHZ 상태의 전체 밀도 행렬을 계산하였으며, 네 광자 상태에서는 85.4%의 허용도를 달성했고, 열광자까지 진정된 다광자 얽힘을 유지하며 50% 이상의 허용도를 확보하였다.

ABSTRACT

The generation of quantum entangled states of many particles is a central goal of quantum information science. Characterizing such states is a complex task that demands exponentially large resources as particles are being added. Previously, we demonstrated a resource efficient source that can generate, in principal, entanglement between any number of photons. This source recursively fuse photon pairs generated by a pulsed laser into a multiphoton entangled state. In the current work, we perform quantum state tomography on the photon pair source and quantum process tomography on the fusion operation. As a result, the full quantum Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state of any number of photons can be calculated. We explore the prospects of our scheme and calculate nonlocality and genuine extit{N}-photon entanglement thresholds for states with up to twelve photons.

연구 동기 및 목표

• 대규모 다광자 얽힌 상태에 대해 표준 양자 상태 톰그래피의 지수적 자원 증가 문제를 해결하기 위해.
• 전체 상태를 직접 실험적으로 측정할 필요 없이 고광자수 GHZ 상태의 완전한 특성화를 가능하게 하기 위해.
• 대규모 다광자 시스템에서 진정된 N광자 얽힘과 비국소성을 검증하기 위해.
• 현재 실험적 한계를 초월한 다광자 얽힌 상태의 생성과 특성화 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 두 광자 얽힌 소스에 대해 양자 상태 톰그래피(QST)를 수행하여 밀도 행렬을 재구성한다.
• 두 광자 융합 작동에 대해 양자 과정 톰그래피(QPT)를 수행하여 과정 행렬을 재구성한다.
• 실험적으로 특성화된 두 광자 상태와 융합 과정을 사용하여 잠재적으로 생성될 수 있는 모든 GHZ 상태의 전체 밀도 행렬을 해석적으로 계산한다.
• 최대 우도 추정과 부트스트랩 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하여 재구성된 상태의 오차와 허용도를 평가한다.
• Mermin 및 Żukowski 벨 부등식을 사용하여 비국소성 임계값을 계산하여 국소 실재주의 위반 여부를 평가한다.
• 시간 지연과 편광 분리기(beam splitters)를 사용하여 광자 쌍을 순차적으로 융합하여 더 큰 얽힌 상태를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 상태를 직접 실험적으로 측정하지 않고도 대규모 다광자 GHZ 상태의 전체 밀도 행렬을 계산할 수 있는가?
• RQ2 광자 수가 증가함에 따라 재구성된 GHZ 상태의 허용도는 어떻게 변화하며, 진정된 N광자 얽힘에 필요한 임계값을 초월하는가?
• RQ3 시스템은 국소 실재주의를 얼마나 위반하며, 이 위반 정도는 광자 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 광자 간 구별 가능성과 편광 오차와 같은 실험적 비완전성이 재구성된 상태의 허용도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 낮은 검출률에도 불구하고 융합 과정을 사용하여 10개 광자를 초월하는 상태를 생성하고 특성화할 수 있는가?

주요 결과

• 소스와 융합 과정에서 재구성된 네 광자 GHZ 상태는 이상 상태와 (85.4 ± 0.2)%의 허용도를 달성하였다.
• 여섯 광자 GHZ 상태는 이상 상태와 (74.3 ± 0.4)%의 허용도를 보였으며, GHZ 유사 상관관계를 확인하였다.
• 진정된 다광자 얽힘은 최대 열광자까지 확인되었으며, 진정된 N광자 얽힘에 필요한 50% 임계값을 초과한 허용도를 확보하였다.
• 십이광자 상태의 허용도는 (49.3 ± 0.65)%로, 50% 임계값에 매우 가까운 성능을 보였다.
• 모든 광자를 |p/m⟩ 기저에서 측정한 계산된 간섭 가시도는 Mermin 및 Żukowski 비국소성 임계값을 초과하여, 연구된 모든 광자 수에서 국소 실재주의 위반을 확인하였다.
• 이 방법은 표준 양자 상태 톰그래피의 지수적 자원 증가 문제를 피하면서도, 두 광자 톰그래피만으로도 최대 12광자까지의 GHZ 상태를 완전히 특성화할 수 있다.