[논문 리뷰] Schemes for generating W state of paths and W state of polarization photons

Bao‐Sen Shi, Akihisa Tomita|ArXiv.org|2002. 08. 28.

Semiconductor Lasers and Optical Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 상용 다중포트 광섬유 분배기와 단일 광자 소스만을 사용하여 두 가지 유형의 W 상태를 생성하기 위한 간단하고 실험적으로 구현 가능한 두 가지 방법을 제안한다: (1) 대칭적인 N×N 트리터를 통해 한 광자를 N 개의 공간 모드에 균일하게 분배함으로써 100% 성공 확률로 경로 W 상태를 생성하고, (2) 동일한 분배기를 사용한 후행 선택을 통해 다중 광자 편광 W 상태를 생성하여 이전 방법들보다 높은 성공 확률을 달성한다. 이 방법들은 확장 가능하며, 복잡한 얽힌 상태 소스나 추가 광학 요소가 필요하지 않다.

ABSTRACT

In this paper, we give two very simple schemes to produce two kinds of W states, one kind is path W state with one photon and the other is multiphoton photon polarization W state. These schemes just need a common commercial multiport fiber coupler and single photon sources, they are feasible by current technologies.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 처리의 핵심 자원인 W 상태를 생성하기 위한 실험적으로 실현 가능하고 낮은 복잡도의 방법을 개발함.
• 특히 다중 광자 편광 W 상태를 생성하는 데 있어 기존 선형 광학 방법보다 더 높은 성공 확률과 더 단순한 설정을 달성하는 데 도전한다.
• 단일 상용 다중포트 광섬유 분배기와 표준 단일 광자 소스만으로도 임의의 N 모드 경로 W 상태와 N 광자 편광 W 상태를 생성할 수 있음을 보여준다.
• 자원 요구량을 최소화하여 양자 텔레포테이션, 텔레클로닝, 밀도 코딩 등의 응용 분야에서 W 상태의 실용적 구현을 가능하게 한다.
• 최대 얽힘 상태 소스나 복잡한 간섭계 설정이 필요 없도록 기존 방법을 일반화한다.

제안 방법

• 대칭적인 N×N 다중포트 광섬유 분배기(트리터)를 사용하여 단일 광자를 N 개의 공간 모드로 일관되게 분배함으로써, 등각도 분포를 갖는 유니타리 변환을 통해 경로 W 상태를 생성한다.
• 이 변환은 유니타리 행렬 M으로 기술되며, 입력 상태 |10…0⟩이 ∑ₙ Mₙ₁|0…1…0⟩로 매핑되어 N 개의 모드 중 어느 하나에 광자가 존재하는 Fock 상태의 초위상 상태를 생성한다.
• 다중 광자 편광 W 상태의 경우, 세 개 이상의 단일 광자 소스를 사용해 특정 편광 상태(H 또는 V)를 가진 광자를 동시에 N×N 분배기에 입력한다.
• 출력 포트 각각에 정확히 한 개의 광자가 존재하는 경우에만 후행 선택을 적용하여 원하는 W 상태를 확률 |∑ₙ exp(iφₙ)|² / N² 으로 얻는다.
• 등각도 복소 위상(e^{i2π/3}, e^{i4π/3})를 갖는 대칭 트리터 행렬 T 를 사용함으로써 모든 출력 모드로 균일한 진폭 분포를 확보한다.
• 이 방법은 확장 가능하다: N×N 분배기와 N 개의 단일 광자 소스를 사용하여 임의의 N 모드 경로 W 상태나 N 광자 편광 W 상태를 생성할 수 있으며, 각각 성공 확률이 100%와 1/N² 이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 광학 구성 요소만을 사용하여 N 개의 공간 모드에 한 광자를 포함하는 경로 W 상태를 100% 성공 확률로 생성할 수 있는가?
• RQ2 다중포트 분배기와 단일 광자 소스만을 사용하여 기존 선형 광학 방법보다 더 높은 성공 확률로 다중 광자 편광 W 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ3 최대 얽힌 상태 소스나 복잡한 간섭계 설정이 필요 없이 임의의 다중 모드 또는 다중 광자 W 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ4 대칭 다중포트 분배기의 사용이 W 상태 생성의 정밀도와 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 후행 선택이 자원 오버헤드를 최소화하면서 확률적으로 다중 광자 W 상태를 효과적으로 생성하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 대칭적인 N×N 다중포트 광섬유 분배기와 단일 광자 소스를 사용하여 N 개의 공간 모드에 한 광자를 포함하는 경로 W 상태를 100% 성공 확률로 생성하였다.
• 세 모드 경로 W 상태 |W⟩ = 1/√3 (|100⟩ + |010⟩ + |001⟩) 는 3×3 트리터와 한 입력 포트에 광자를 입력함으로써 단위 확률로 생성되었다.
• 세 광자 편광 W 상태의 경우, 후행 선택을 통해 각 출력 포트에 정확히 한 광자가 존재하는 경우를 선택함으로써 성공 확률이 1/9에 도달하였으며, 이는 참고 문헌 [15]의 2/27 보다 높다.
• 네 광자 W 상태 |W⟩ = 1/2 (|HHHV⟩ + |HHVH⟩ + |HVHH⟩ + |VHHH⟩) 는 4×4 분배기와 후행 선택을 사용하여 성공 확률 1/16로 생성되었다.
• 이 방법은 확장 가능하다: 동일한 설정을 사용하여 원칙적으로 임의의 N 모드 경로 W 상태와 N 광자 편광 W 상태를 생성할 수 있으며, 각각 성공 확률이 1과 1/N² 이다.
• 이 방법들은 추가적인 얽힌 상태 소스나 복잡한 광학 요소가 필요 없음을 제거하여 이전 방법들보다 훨씬 단순하고 실용적인 것으로 나타났다.