[논문 리뷰] Topologically Protected Quantum Entanglement

Yao Wang, Yong‐Heng Lu외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 07.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 26인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 펄스 레이저를 이용해 제작한 수소-슈리퍼-헤거(SSH) 격자 기반의 광학 칩에서 위상적으로 보호된 양자 편광 얽힘을 실험적으로 입증한다. 위상적 표면 상태를 활용함으로써, 물질에 의한 편광 회전에 의한 얽힘의 손실이 방지됨을 보이며, 과정 토모그래피를 통해 상당한 위상 왜곡 조건에서도 강건한 보존이 확인된다.

ABSTRACT

Quantum entanglement, as the strictly non-classical phenomena, is the kernel of quantum computing and quantum simulation, and has been widely applied ranging from fundamental tests of quantum physics to quantum information processing. The decoherence of quantum states restricts the capability of building quantum simulators and quantum computers in a scalable fashion. Meanwhile, the topological phase is found inherently capable of protecting physical fields from unavoidable fabrication-induced disorder, which inspires the potential application of topological protection on quantum states. Here, we present the first experimental demonstration of topologically protected quantum polarization entangled states on a photonic chip. The process tomography shows that quantum entanglement can be well preserved by the boundary states even when the chip material substantially introduces relative polarization rotation in phase space. Our work links topology, material and quantum physics, opening the door to wide applications of topological enhancement in genuine quantum regime.

연구 동기 및 목표

• 광학 칩 플랫폼에서 양자 얽힘의 위상적 보호를 입증하는 것.
• 스케일러블 양자정보 시스템에서의 디코herence 문제를 위상적 강건성의 특성을 활용하여 해결하는 것.
• 물질에 의한 위상 왜곡이 존재하는 상황에서도 위상적 보호된 표면 상태를 통해 전송될 때 양자 얽힘이 그대로 유지됨을 실험적으로 검증하는 것.
• 위상적 상태, 물질적 불순물, 양자 상태 보존 간의 관계를 양자정보 처리 분야에서 규명하는 것.

제안 방법

• 1차원 수소-슈리퍼-헤거(SSH) 광학 격자를 피코초 레이저 직접 라이팅을 이용해 제작하였으며, 교대로 배치된 약한 및 강한 결합( d₁ = 15 μm, d₂ = 8.5 μm )을 사용하였다.
• 출력 상태를 쿼르터 웨이브 플레이트와 편광판을 사용해 퀸텀 기반( H, V, D, R )으로 투사함으로써 양자 상태 토모그래피를 수행하여 밀도 행렬을 재구성하였다.
• 입력 상태( H, V, D, R )와 출력 기준( H, V, D, R, A, L )을 모두 고려한 24회의 순차 측정를 수행하였으며, 한 개의 광자를 트리거로 사용하였다.
• 최대 우도 최적화를 통해 과정 행렬 χ를 재구성하여 양자 과정의 물리적 타당성을 확보하였다.
• 재구성된 과정 행렬과 위상 게이트 S 간의 관계를 분석하여 χ = SρS† 라는 관계를 확인함으로써, 이 과정이 위상적으로 보호된 위상 연산을 수행하고 있음을 입증하였다.
• 위상적 표면 상태(1번 및 26번 위치)와 비위상적 부스러기 상태 간의 얽힘 보존 정도를 비교하였으며, 20 mm에서 140 mm까지의 전파 거리에 따른 붕괴 정도를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 칩 상의 위상적 표면 상태가 물질에 의한 디코herence에 의해 양자 편광 얽힘을 보호할 수 있는가?
• RQ2 불순물이 있는 광학 격자에서 위상적 표면 상태와 비위상적 부스러기 상태 간의 얽힘 보존 정도는 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 위상적 보호가 상대적 편광 회전이 위상 공간에 도입된 상황에서도 양자 상관관계를 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ4 광학 칩 상에서 얽힘 변환 과정이 단위행렬 과정 행렬로 정확히 기술될 수 있으며, 이는 알려진 양자 게이트와 대응되는가?
• RQ5 양자 얽힌 쌍의 한 개 또는 양쪽 광자가 보호된 표면 상태를 통과할 경우, 위상적 보호 효과가 유지되는가?

주요 결과

• 물질에 의한 위상 공간 내 상대적 편광 회전이 심하게 발생하는 상황에서도 위상적 표면 상태(1번 및 26번 위치)에서 양자 편광 얽힘이 유지됨을 확인하였다.
• 비위상적 부스러기 상태에서는 전파 거리가 증가함에 따라 얽힘 붕괴가 지수적으로 증가함을 확인하여, 비위상 영역에서는 보호 기작이 존재하지 않음을 입증하였다.
• 과정 토모그래피를 통해 재구성된 과정 행렬 χ가 위상 게이트 S의 단위행렬 변환과 정확히 일치함을 확인하였으며, χ = SρS† 라는 관계를 통해 위상적으로 보호된 위상 연산이 수행됨을 입증하였다.
• 모든 입력 상태에서 재구성된 밀도 행렬의 허상도가 높게 유지되어, 위상적 보호 하에서 얽힌 상태의 강건성이 확인되었다.
• 양자 얽힘의 보존은 쌍의 한 광자 또는 양쪽 광자가 위상적으로 보호된 표면 상태를 통과할 경우에도 유지됨을 확인하였다.
• 1번 및 26번 위치의 영에너지 표면 모드가 광자를 국소화하여, 격자 불순물이 존재하는 상황에서도 안정적인 얽힌 상태 전달이 가능함을 입증하였다.