[논문 리뷰] Reconfigurable synthesizer for quantum information processing of high-dimensional entangled photons

Ohad Lib, Kfir Sulimany외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 04.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고차원 얽힌 광자를 위한 양자 정보 처리를 위한 다중면 빛 변환(MPLC) 기반 재구성 가능한 광학 프로세서를 소개한다. MPLC가 수백 개의 공간 모드를 제어할 수 있는 능력을 활용하여, 저자들은 동일한 하드웨어에서 네 가지 핵심 양자 작업—얽힘 인증, 맞춤형 이광자 간섭, 임의의 상태 변환, 모드 변환—을 구현함으로써 MPLC가 향후 양자 기술을 위한 확장 가능하고 유연한 플랫폼으로서 입증된다.

ABSTRACT

High-dimensional entangled photons are a key resource for advanced quantum information processing. Efficient processing of high-dimensional entangled photons requires the ability to synthesize their state using general unitary transformations. The leading technology for processing photons in high-dimensions is integrated multiport interferometers. However, such devices are incompatible with free-space and fiber-based systems, and their architecture poses significant scaling challenges. Here we unlock these limitations by demonstrating a reconfigurable processor of entangled photons that is based on multi-plane light conversion (MPLC), a technology that was recently developed for multiplexing hundreds of spatial modes for classical free-space and fiber communication. To demonstrate the flexibility of MPLC, we perform four key tasks of quantum information processing using the same MPLC hardware: entanglement certification, tailored two-photon interference, arbitrary state transformations, and mode conversion. Based on the high degree of control we obtain, we expect MPLC will become a leading platform for future quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 통합 다중포트 간섭계의 한계를 극복하기 위해, 이는 자유공간 및 섬유 시스템과 호환되지 않으며 확장성 문제를 겪는다.
• 고차원 얽힌 광자를 위한 효율적이고 재구성 가능한 처리를 가능하게 하여 고도의 양자 정보 작업을 수행한다.
• 원래 고전적 통신을 위해 개발된 MPLC 기술이 양자 광학 처리를 위한 실현 가능한 플랫폼이 될 수 있음을 입증한다.
• 단일 장치 아키텍처를 통해 고차원 광학 상태에 대한 재구성 가능한 유연한 제어를 실현한다.
• 향후 고차원 양자 상태에서 복잡한 유니터리 변환을 요구하는 양자 기술을 위한 확장 가능하고 통합 가능한 솔루션을 확립한다.

제안 방법

• 자유공간 및 섬유 기반 시스템에서 수백 개의 공간 모드를 조작하기 위해 공간 다중화 기술인 다중면 빛 변환(MPLC)을 활용한다.
• 고차원 광학 상태에 대한 일반 유니터리 변환을 수행하기 위해 MPLC 기반 재구성 가능한 광학 구성을 구현한다.
• 다중 평면에서 다수의 파면의 위상과 진폭을 제어하여 임의의 양자 상태를 합성한다.
• 하드웨어 재구성 없이도 동일한 MPLC 장치로 네 가지 다른 양자 정보 작업을 수행한다.
• 고차원 얽힌 광자 상태를 고정밀도로 생성하고 조작하기 위해 MPLC 프로세서를 적용한다.
• 양자 상태 토모그래피, 간섭 측정 및 상태 변환 프로토콜을 통해 프로세서의 기능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MPLC 기술은 자유공간 및 섬유 시스템에서 고차원 양자 상태 처리를 재구성 가능하게 적응시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 MPLC 기반 장치가 엽힘 인증 및 맞춤형 이광자 간섭과 같은 다양한 양자 정보 작업을 얼마나 잘 수행할 수 있는가?
• RQ3 고차원 양자 광학에서 MPLC의 확장성과 제어 정밀도는 통합 다중포트 간섭계와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 MPLC는 고차원 광학 상태에 대해 실험 정밀도로 임의의 유니터리 변환을 가능하게 하는가?
• RQ5 MPLC는 고차원 시스템에서 향후 대규모 양자 정보 처리를 위한 실현 가능한 플랫폼인가?

주요 결과

• MPLC 기반 프로세서는 동일한 하드웨어를 사용하여 고차원 광학 상태의 엽힘 인증을 성공적으로 수행하였다.
• 높은 해상도와 프로그래밍 가능한 위상 제어를 통해 맞춤형 이광자 간섭을 달성하여 정밀한 양자 간섭 제어를 입증하였다.
• 임의의 유니터리 변환을 고차원 상태에 적용하여 장치의 일반적인 양자 상태 조작 능력을 확인하였다.
• 다른 공간 모드 간의 모드 변환을 고정밀도로 구현하여 프로세서의 재구성 가능성의 잠재력을 입증하였다.
• 동일한 MPLC 하드웨어가 물리적 재구성 없이도 네 가지 양자 작업을 모두 수행하여 그 탄력성과 재프로그래밍 가능성의 우수성을 입증하였다.
• 결과적으로 MPLC는 향후 고차원 양자 정보 처리를 위한 확장 가능하고 재구성 가능한 플랫폼으로서 입증되었다.