[논문 리뷰] Taming Entanglement

Paul G. Kwiat, Joe Altepeter외 4명|ArXiv.org|2003. 03. 07.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자동화되고 고정밀도인 실험 플랫폼을 제시하여 자발적 파라메트릭 다운컨버전션(SPDC)을 이용해 임의의 두 큐비트 양자 상태를 생성하고 특성화한다. 조정 가능한 얽힘, 국소 유니터리 연산, 컴퓨터 자동화된 양자 상태 토모그래피를 조합함으로써 저자들은 편극 얽힘 상태, 특히 최대 얽힘 혼합 상태를 포함하여 정밀한 제어를 실현하였으며, 정밀도가 0.998를 초과한다.

ABSTRACT

Using a spontaneous parametric-downconversion source of photon pairs, we are working towards the creation of arbitrary 2-qubit quantum states with high fidelity. Currently, all physically allowable combinations of polarization entanglement and mixture can be produced, including maximally-entangled mixed states. The states are experimentally measured and refined via computer-automated quantum-state tomography, and this system has also been used to perform single-qubit and ancilla-assisted quantum process tomography.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도로 임의의 두 큐비트 양자 상태를 생성할 수 있는 확장 가능하고 자동화된 시스템을 개발하기 위해.
• 실험적 제약 조건 하에서 복잡한 양자 상태, 특히 얽힘 상태와 혼합 상태의 준비 및 특성화에 도전하기 위해.
• 최소한의 입력 상태 다양성으로도 엽힘 보조 기법을 사용한 정밀한 양자 과정 토모그래피를 가능하게 하기 위해.
• 적응형 컴퓨터 최적화 토모그래피를 통해 양자 상태 특성화의 한계를 극복하기 위해.
• 광자 큐비트를 사용한 고장내성 양자 정보 프로토콜의 시험대를 제공하기 위해.

제안 방법

• 헤르드 단일광자 상태를 갖는 편극 얽힘 광자 쌍을 생성하기 위해 자발적 파라메트릭 다운컨버전션(SPDC)을 사용한다.
• 개별 광자에서 국소 유니터리 연산을 위해 이방성 웨이브플레이트(HWP 및 QWP)를 사용한다.
• 광자의 경로에서 조절 가능한 디코herence를 유도하기 위해 이방성 지연선을 사용한다.
• 수직 광축을 가진 이중 결정 SPDC 구조를 사용하여 두 개의 별개의 다운컨버전 과정을 일관된 초위상으로 초래함으로써 조절 가능한 얽힘을 가능하게 한다.
• 두 SPDC 기여의 상대 위상을 제어하기 위해 이방성 위상 플레이트를 적용하여 비최대 얽힘 상태인 |ψ⟩ ∝ |H⟩|H⟩ + εe^{iφ}|V⟩|V⟩ 형태의 상태를 준비할 수 있다.
• 16개의 기저에서 측정한 편극 상관관계에 대해 최대우도 분석을 적용하여 밀도 행렬을 재구성하는 완전 자동화된 양자 상태 토모그래피 시스템을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자 큐비트를 사용하여 임의의 두 큐비트 양자 상태, 특히 혼합 상태와 얽힘 상태를 고정밀도로 실험적으로 준비할 수 있는가?
• RQ2 동일한 실험 설정 내에서 얽힘과 디코herence가 독립적으로 제어되고 특성화될 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 자동화되고 적응형인 양자 상태 토모그래피는 복잡한 양자 상태에 대한 측정 속도와 정확도 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 엽힘 광자 쌍을 사용하여 고정된 하나의 입력 상태로도 효율적으로 앤실라 보조 양자 과정 토모그래피를 구현할 수 있는가?
• RQ5 두 큐비트 시스템에서 얽힘과 순수도의 물리적 한계는 무엇이며, 이를 어떻게 실험적으로 맵핑할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 정밀도 0.998 이상을 확보하면서 100,000개 이상의 단일 큐비트 상태를 생성하고 구분할 수 있다.
• 순수 및 혼합 상태를 포함한 임의의 두 큐비트 상태, 특히 최대 얽힘 혼합 상태(MEMS)가 성공적으로 준비되고 실험적으로 검증되었다.
• 재구성된 밀도 행렬과 목표 상태 간의 정밀도가 0.998를 초과하여 고정밀도 상태 준비를 입증하였다.
• 텐글-엔트로피 평면은 MEMS에 의해 정의된 물리적 경계를 드러내어 주어진 혼합도에 대한 얽힘의 이론적 한계를 확인하였다.
• 엽힘 보조 양자 과정 토모그래피는 단일 입력 상태만으로도 유니터리 및 디코herent 과정을 성공적으로 특성화하였다.
• 자동화된 토모그래피 시스템은 적응형 측정 전략을 가능하게 하여 불확실성을 크게 감소시키고 재구성 정확도를 향상시켰다.