[논문 리뷰] 8x8 Programmable Quantum Photonic Processor based on Silicon Nitride Waveguides

Caterina Taballione, Tom A. W. Wolterink외 11명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 28.

Photonic and Optical Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 저손실 실리카 질화물 웨이브가이드를 기반으로 한 8×8 재구성 가능한 양자 광학 프로세서를 제시하며, 광학 양자 정보 처리를 위한 임의의 선형 광학 변환을 가능하게 한다. 이 프로세서는 홍-오우-마운드 간섭과 고차원 양자 게이트와 같은 양자 원리의 고정밀도 구현을 달성하여, 이 플랫폼에서 현재까지 가장 큰 프로그래머블 통합 광학 회로를 실현한다.

ABSTRACT

The development of large-scale optical quantum information processing circuits ground on the stability and reconfigurability enabled by integrated photonics. We demonstrate a reconfigurable 8x8 integrated linear optical network based on silicon nitride waveguides for quantum information processing. Our processor implements a novel optical architecture enabling any arbitrary linear transformation and constitutes the largest programmable circuit reported so far on this platform. We validate a variety of photonic quantum information processing primitives, in the form of Hong-Ou-Mandel interference, bosonic coalescence/anticoalescence and high-dimensional single-photon quantum gates. We achieve fidelities that clearly demonstrate the promising future for large-scale photonic quantum information processing using low-loss silicon nitride.

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 정보 처리를 위한 확장 가능하고 재구성 가능한 통합 광학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 기존 광학 양자 회로의 확장성과 안정성의 한계를 저손실 실리카 질화물 웨이브가이드를 활용하여 극복하기 위해.
• 임의의 유니터리 변환을 구현할 수 있는 프로그래머블 선형 광학 네트워크를 실현하기 위해.
• 보존적 응집과 고차원 양자 게이트와 같은 핵심 양자 정보 처리 원리의 검증을 위해.

제안 방법

• 저손실 및 고안정성의 실리카 질화물 웨이브가이드를 사용한 재구성 가능한 8×8 선형 광학 네트워크의 설계 및 제작.
• 프로그래머블 위상 이동소 및 맥스-젠더 간섭계를 통해 임의의 유니터리 변환을 가능하게 하는 새로운 광학 아키텍처의 구현.
• 네트워크의 유니터리 행렬을 동적으로 재구성하기 위해 통합 열광학적 위상 이동소의 사용.
• 완전히 통합된 플랫폼에서 양자 연산을 검증하기 위해 단일 광자 소스와 온칩 검출기를 활용.
• 게이트의 정밀도와 인코herence를 특성화하기 위해 양자 과정 토모그래피와 간섭 측정의 응용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저손실, 통합된 실리카 질화물 플랫폼에서 대규모, 재구성 가능한 광학 양자 프로세서를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 플랫폼에서 고정밀도 양자 연산을 수행할 수 있는 프로그래머블 선형 광학 네트워크의 최대 크기는 얼마인가?
• RQ3 프로세서는 홍-오우-마운드 간섭과 보존적 응집과 같은 기본 양자 원리를 신뢰성 있게 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼은 어떤 정도의 고차원 단일 광자 양자 게이트를 지원하는가?

주요 결과

• 8×8 프로세서는 임의의 선형 변환을 성공적으로 실현하였으며, 실리카 질화물 플랫폼에서 보고된 바 있는 가장 큰 프로그래머블 광학 회로를 나타낸다.
• 고해상도 간섭을 보이며 홍-오우-마운드 간섭이 관측되어 광자의 불가구분성함을 확인한다.
• 보존적 응집과 반응집합이 실험적으로 입증되어 다중 광자 간섭에서의 양자 통계를 검증한다.
• 고정밀도 단일 광자 양자 게이트가 고차원 힐베르트 공간에서 구현되었으며, 확장 가능성 잠재력을 시사한다.
• 정밀도가 명백히 고전 기준을 초월하여 플랫폼이 대규모 양자 정보 처리에 적합함을 확인한다.