[논문 리뷰] Topological Protection of Two-photon Quantum Correlation on a Photonic Chip

Yao Wang, Xiao-Ling Pang외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 02.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 상호작용이 없는 두 광자 양자 상관관계의 위상적 보호를, 위상적으로 비비교한 격자로 구성된 통합 광학 칩에서 실험적으로 입증한다. 광자를 경계 상태에 고착시킴으로써 시스템은 높은 상관관계(10.70 ± 0.25)를 유지하고, 카우치-슈바르츠 부등식에 대해 30표준편차 이상의 위반을 기록하여, 불순물과 소산에 대비한 강건한 양자 상관관계 보호를 확인한다.

ABSTRACT

Low-decoherence regime plays a key role in constructing multi-particle quantum systems and has therefore been constantly pursued in order to build quantum simulators and quantum computers in a scalable fashion. Quantum error correction and quantum topological computing have been proved being able to protect quantumness but haven't been experimentally realized yet. Recently, topological boundary states are found inherently stable and are capable of protecting physical fields from dissipation and disorder, which inspires the application of such a topological protection on quantum correlation. Here, we present an experimental demonstration of topological protection of two-photon quantum states on a photonic chip. By analyzing the quantum correlation of photons out from the topologically nontrivial boundary state, we obtain a high cross-correlation and a strong violation of Cauchy-Schwarz inequality up to 30 standard deviations. Our results, together with our integrated implementation, provide an alternative way of protecting quantumness, and may inspire many more explorations in 'quantum topological photonics', a crossover between topological photonics and quantum information.

연구 동기 및 목표

• 광학 통합 플랫폼에서 다중 입자 양자 상관관계의 위상적 보호를 입증하는 것.
• 분해조 및 불순물 조건에서 비고전적 양자 특성을 유지하는 데 도전하는 문제를 다루는 것.
• 위상적 경계 상태가 두 광자 양자 상관관계를 보존하는 데 있어 강건한 매체로 활용 가능한지 탐색하는 것.
• 동일한 조건에서 위상적 경계 상태와 기저 상태가 양자 상관관계 및 비고전성을 유지하는 데 비해 성능을 비교하는 것.
• 광자를 이용한 위상적 양자 정보 처리를 위한 확장 가능한 칩 통합 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 변동 가능한 간격을 통해 파이프 커플링을 제어하는 파장에 의한 피코초 레이저 조각 기술을 사용하여 불화실리케이트 유리에 광학 격자를 제작하였다.
• 위상적으로 비비교한 경계 상태를 갖도록 위상과 기하학적 구조를 조정하여 강건한 경계 모드를 가능하게 하였다.
• 25%의 동일한 극화 확률을 가진 PPKTP 결정에서 자발적 비선형 주파수 분할을 통해 편극성 양자 얽힌 광자 쌍을 생성하였다.
• 20X 목표 렌즈를 통해 광자를 격자에 주입하고, 10X 현미경 렌즈와 ICCD 카메라를 사용하여 출력 분포를 측정하였다.
• 압전 다이오드와 FPGA 카운터를 사용하여 상관관계 및 자가상관관계 함수를 측정하였으며, 측정 간 일관된 유량을 확보하기 위해 편극 제어를 실시하였다.
• 카우치-슈바르츠 부등식 테스트: $ (g_{s\text{-}i}^{(2)})^2 \leq g_{s\text{-}s}^{(2)} \cdot g_{i\text{-}i}^{(2)} $ 를 적용하여 양자 상관관계의 비고전성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 칩의 위상적 경계 상태가 분해조 및 불순물에 의한 두 광자 양자 상관관계를 보호할 수 있는가?
• RQ2 동일한 조건에서 위상적 경계 상태에서의 양자 상관관계 유지와 기저 상태에서의 유지 정도를 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ3 비고전적 성질이 위상적으로 보호된 시스템 내에서 두 광자 상태의 비고전성은 카우치-슈바르츠 부등식 위반으로 얼마나 정량화될 수 있는가?
• RQ4 설계된 위상적 상을 가진 통합 광학 칩이 다중 입자 양자 상태를 보호하기 위한 확장 가능한 플랫폼으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 위상적 경계 모드와 불순물이 있는 기저 모드 간에 두 광자 상관관계 보존의 정량적 품질은 어떠한가?

주요 결과

• 위상적으로 보호된 경계 상태에서의 두 광자 상관관계는 $10.70 \pm 0.25$로 측정되었으며, 입력 값 $11.47 \pm 0.02$와 매우 유사하여 양자 상관관계의 거의 완벽한 유지 상태를 나타낸다.
• 반면, 기저 상태에서의 상관관계는 $6 \pm \text{큰 불확실성}$에 불과하여 벨 부등식 위반에 부적합하여 양자 특성의 손실을 나타낸다.
• 경계 상태에서는 카우치-슈바르츠 부등식에 대해 강한 위반을 관찰하여 최대 30표준편차에 이르렀으며, 강건한 비고전성의 확인이 되었다.
• 광자 확률 분포는 경계에서 강하게 국소화되어 있었고, 기저 상태는 상당한 확산과 열화를 보였다.
• 위상적 경계 상태는 두 광자 상태의 공간 분포와 양자 상관관계를 모두 유지하였지만, 기저 상태는 측정 가능한 양자 특성을 유지하지 못하였다.
• 결과적으로 위상적 보호가 통합 광학 플랫폼에서 제작 오차에 의한 불순물과 소산으로 인한 다중 입자 양자 상관관계를 효과적으로 보호할 수 있음을 보여주었다.