[論文レビュー] Bell's measure and implementing quantum Fourier transform with orbital angular momentum of classical light

Xin-Bing Song, Yifan Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、オービタル角運動量（OAM）を有する古典的光ビームを用いて、ベルの測定および量子フーリエ変換（QFT）を実証する。非量子的エンタングルメントを介して偏光とOAMの間に相関を生成することで、量子状態に類似した相関を再現している。アダマールゲートおよび制御位相ゲートの古典的アナログを設計し、実験的にQFTを実装。量子状態に依存しないにもかかわらず、ベルの不等式の破れを古典的系で達成し、主要な量子情報処理プロセスの古典的シミュレーションを可能にした。

ABSTRACT

We perform Bell's measurement and perform quantum Fourier transform with the classical vortex beam. The violation of Bell's inequality for such a non-separable classical correlation has been demonstrated experimentally. Based on the classical vortex beam and nonquantum entanglement between the polarization and orbital angular momentum, the Hadamard gates and conditional phase gates have been designed. Furthermore, a quantum Fourier transform has been implemented experimentally, which is the crucial final step in Shor's algorithm

研究の動機と目的

• 古典的光ビームにおけるオービタル角運動量（OAM）を用いた、量子情報処理の古典的アナログの探求。
• 偏光とOAMの間の非量子的エンタングルメントを用いた、古典的光システムにおける量子フーリエ変換（QFT）の実装。
• 偏光とOAMの非分離相関を有する古典的系において、ベルの測定を実施し、ベルの不等式の破れを実証。
• OAMおよび偏光自由度を用いて、アダマールゲートおよび制御位相ゲートの古典的アナログを設計。
• ショアのアルゴリズムなどの量子アルゴリズムを、古典的光システムを用いてシミュレートする可能性の検証。

提案手法

• 明確に定義されたオービタル角運動量（OAM）を有する古典的バーチャルビームを用い、量子情報に類似した状態を符号化。
• 偏光とOAMの間の非量子的エンタングルメントを用いて、量子相関を模倣。
• 波面プレートおよび空間光変調器を用いて、OAMおよび偏光を操作することで、古典的アダマールおよび制御位相ゲートを設計。
• これらの古典的ゲートを用いて、QFTのユニタリ変換を模倣する量子フーリエ変換回路を構築。
• 偏光分析とOAMモード識別を組み合わせて、ベル状態の測定を実施。
• 測定された相関を用いて、古典的系におけるベルの不等式の破れを経験的に検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的光における偏光とOAMの非量子的エンタングルメントが、量子測定統計を模倣できるか？
• RQ2 真の量子エンタングルメントを用いずに、古典的光システムがどの程度QFTを実装できるか？
• RQ3 構造的光を用いた古典的系でベルの不等式を破ることができるか？ その結果、古典的シミュレーションにおける量子現象の理解にどのような意味を持つのか？
• RQ4 古典的光素子が、アダマールゲートや制御位相ゲートといった量子ゲートをどの程度正確に模倣できるか？
• RQ5 古典的光を用いて、ショアのアルゴリズムの主要構成要素をシミュレートする実験的妥当性は何か？

主な発見

• 非量子的エンタングルメントを有する古典的バーチャルビームを用いた実験により、量子エンタングルメントが存在しないにもかかわらず、ベルの不等式の破れが観測され、非古典的相関に類似した振る舞いを示した。
• 古典的光素子およびOAM状態を用いて、完全な量子フーリエ変換回路が成功裏に実装された。
• 偏光-OAM操作を用いて、アダマールおよび制御位相ゲートの古典的アナログが実現され、古典的領域におけるユニバーサルゲート操作が可能になった。
• 高い忠実度の状態準備および測定が達成され、古典的光を用いたQFTの信頼性ある実装が可能になった。
• 結果として、構造的光を有する古典的系が、エンタングルメントに基づく測定および量子アルゴリズムの主要なプロセスをシミュレート可能であることが確認された。
• 量子重ね合わせが存在しないにもかかわらず、古典的系でベルの不等式が破れる現象は、非分離相関を記述する古典的モデルの限界を示しており、重要な示唆を与える。