[論文レビュー] 20-Mode Universal Quantum Photonic Processor

Caterina Taballione, Malaquias Correa Anguita+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Optical Network Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、TripleX技術を用いてストイキオメトリックなシリコンナイトライド（Si3N4）にフォーマットされた20モードの汎用量子光子プロセッサを提示する。97.4%のハール-ランダムな忠実度、99.5%の順列忠実度、平均挿入損失2.9 dB、98%のホン＝オウ＝マンド可視度を達成し、ペルティエ冷却器による能動的熱安定化を介して、スケーラブルで再構成可能な線形光子処理を実現し、汎用光子量子コンピューティングを可能にする。

ABSTRACT

Integrated photonics is an essential technology for optical quantum computing. Universal, phase-stable, reconfigurable multimode interferometers (quantum photonic processors) enable manipulation of photonic quantum states and are one of the main components of photonic quantum computers in various architectures. In this paper, we report the realization of the largest quantum photonic processor to date. The processor enables arbitrary unitary transformations on its 20 input modes with an amplitude fidelity of $F_{ ext{Haar}} = 97.4\%$ and $F_{ ext{Perm}} = 99.5\%$ for Haar-random and permutation matrices, respectively, an optical loss of 2.9 dB averaged over all modes, and high-visibility quantum interference with $V_{ ext{HOM}}=98\%$. The processor is realized in $\mathrm{Si_3N_4}$ waveguides and is actively cooled by a Peltier element.

研究の動機と目的

• これまでにない最大の汎用量子光子プロセッサを実証し、20モードで完全な再構成可能で、高忠実度のユニタリ変換を実現すること。
• 大規模で低損失かつ位相安定な統合光子プラットフォームの性能を、汎用量子コンピューティングの文脈で検証すること。
• 他の材料と比較することで、ストイキオメトリックなシリコンナイトライドを、スケーラブルで低損失かつ高忠実度の量子光子プロセッサに最適なプラットフォームとして確立すること。
• 完全にプログラマブルで高可視度の干渉を示す干渉計を用いて、量子シミュレーション、量子メトロロジー、量子ニューラルネットワークの実用的応用を可能にすること。

提案手法

• プロセッサは、380個の熱光的可変素子を備えたユニバーサルな正方形干渉計アーキテクチャに基づく。これらは再構成可能なマハチンドレ干渉計のネットワークとして配置されている。
• プロセッサは、非対称な二重ストリプの断面形状を有するストイキオメトリックなSi3N4波導で作製され、最小曲げ半径100 µmを確保することで、伝搬損失を最小限に抑える。
• 位相安定性を維持し、温度に起因するドリフトを低減するために、ペルティエ冷却器を用いた能動的熱安定化が実現されている。
• 各干渉計セルの位相シフトとビームスプリッタ比を統合ヒーターで調整することで、ユニタリ変換が実装されている。
• 量子干渉は、ホン＝オウ＝マンド（HOM）ディップ測定を用いて評価され、干渉縞のガウスフィッティングによって可視度が定量化されている。
• 挿入損失は、各入力に光を注入し、対応する出力で検出することで、モードごとに測定されており、オンチップ損失およびファイバーチャンネルへの結合損失を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合Si3N4技術を用いた完全に再構成可能で、低損失かつ高忠実度の量子光子プロセッサで、入出力モード数の最大値は何か？
• RQ2 20モードの汎用プロセッサの性能は、既存のプラットフォームと比較して、忠実度、損失、量子干渉の可視度の観点でどのように異なるか？
• RQ3 ペルティエ冷却器による能動的熱安定化は、大規模な光子量子プロセッサの位相安定性と運用忠実度をどの程度向上させるか？
• RQ4 Si3N4ベースの汎用量子光子プロセッサは、ハール-ランダム行列および順列行列による検証を通じて、すべてのモードで高忠実度の任意のユニタリ変換を実現できるか？
• RQ5 現在の単位セルあたりの損失を考慮した場合、Si3N4ベースのプロセッサのスケーラビリティの限界は、伝送量がe⁻¹未満に低下するまでの有用なプロセッササイズの範囲でどの程度か？

主な発見

• 20モードの量子光子プロセッサは、ハール-ランダムなユニタリ変換忠実度97.4%を達成し、高忠実度の任意の線形変換を実現している。
• オンチップ伝搬損失およびファイバーチャンネル結合損失を含め、20モードすべてで平均挿入損失2.9 dBの低損失を示している。
• 順列行列忠実度99.5%は、プロセッサが高精度で決定論的な光学変換を実行できることを確認している。
• ホン＝オウ＝マンド干渉の可視度は98%に達し、高品質な量子干渉と量子コherーの保存を示している。
• 1,000以上の異なるユニタリ変換に対して、高い再構成可能性を維持しており、制御と安定性の優れた性能を確認している。
• Si3N4ベースのプロセッサは、伝送量がe⁻¹未満に低下するまでの有用なプロセッササイズを最大限にサポートできるスケーラブルなプラットフォームであることが示され、シリコンオンインシュレーターやシリカプラットフォームを上回っている。