[论文解读] Complete analysis and generation of hyperentangled Greenberger-Horne-Zeilinger state for photons using quantum-dot spins in optical microcavities

Tie-Jun Wang, Siyu Song+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种可扩展的、确定性的方案，用于在光学微腔中的量子点自旋系统中，完全分析和生成三光子超纠缠格林伯格-霍恩-蔡尔伯格（GHZ）态。通过结合双面和单面腔-量子点系统，该方案能够在偏振和空间模式自由度上完全区分64种超纠缠GHZ态，在当前实验参数下的强耦合 regime 中实现近似保真度（near-unity fidelity）和 >52% 的效率。

ABSTRACT

We propose a scheme for the complete differentiation of 64 three-photon hyperentangled GHZ states in both polarization and spatial-mode degrees of freedoms using the quantum-dot cavity system. The three-photon hyperentangled-GHZ-state-analysis scheme can also be used to generate 3-photon hyperentangled GHZ states. This proposed hyperentangled analysis and generation device can serve as crucial components of the high-capacity, long-distance quantum communication. We use quantum swapping as an example to show the application of this device in quantum communication with polarization and spatial-mode degrees of freedoms. Using numerical calculations, we show that the present scheme may be feasible in strong-coupling regimes with current technologies.

研究动机与目标

• 开发一种在偏振和空间模式自由度上完全且确定性的三光子超纠缠GHZ态分析与生成方法。
• 通过在多光子系统中利用超纠缠，实现高容量、长距离量子通信。
• 在腔-量子点系统强耦合区域的当前实验条件下，证明该方案的可行性。
• 将该装置应用于量子信息任务，如超纠缠交换，以构建可扩展的量子网络。

提出的方法

• 利用双面腔-量子点系统作为SWAP门，实现光子偏振与空间模式自由度的纠缠。
• 利用单面腔-量子点系统作为量子比特态相位关系的判别装置（parity-checking device）。
• 采用量子交换协议，展示利用超纠缠态操控多粒子纠缠的能力。
• 通过数值模拟评估保真度与效率随耦合强度 $g/(κ_s + κ)$ 和损耗比 $\kappa_s/\kappa$ 的变化关系。
• 应用保真度 $F_+$, $F_-$ 和效率 $E'$, $E'^{\prime}$ 的公式，量化在真实退相干与损耗条件下的性能表现。
• 依赖非破坏性单自旋测量，通过光子-自旋纠缠与在Hadamard门后利用手性检测进行自旋态读出。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一装置是否能够完全且确定性地分析偏振与空间模式自由度中的全部64种三光子超纠缠GHZ态？
• RQ2 该方案在当前量子点自旋-腔技术的强耦合区域是否可行？
• RQ3 在真实退相干与腔体损耗条件下，超纠缠GHZ态分析与生成的可实现保真度与效率是多少？
• RQ4 该装置在实现超纠缠交换以分发多粒子纠缠方面表现如何？
• RQ5 该方案是否可扩展以构建可扩展的、高容量的量子通信网络？

主要发现

• 当 $g/(κ_s + κ) > 1.5$ 且 $\kappa_s/\kappa \ll 1$ 时，可实现近似保真度（$F_+ \sim F_- \sim F'^{\prime} \sim 1$）和 >97% 的效率（$E'^{\prime} > 97\%$）。
• 在合理参数条件下（$\kappa_s/\kappa \approx 0.2$，$g/(κ_s + κ) \approx 0.58$），可实现保真度 $F_+ = F_- = 0.99$ 和效率 $E_+ = E_- = 60\%$。
• 在小损耗极限下（$\kappa_s/\kappa \approx 0.2$），当 $g/(κ_s + κ) = 0.88$ 时，可达到保真度 $F'^{\prime} \sim 0.98$ 和效率 $E'^{\prime} = 52\%$。
• 对于单面腔系统，当 $g/(κ_s + κ) \approx 1.0$ 且 $\kappa_s/\kappa \approx 0.7$ 时，可实现 $F'^{\prime} \sim 0.98$，但效率下降至 $E'^{\prime} = 20\%$。
• 在自旋退相干条件下，该方案仍具鲁棒性，保真度退化为 $F'^{\prime} = [1 + \exp(-5t/T)]/2$，前提是 $5t \ll T$ 且 $t \gg \tau/n_0$。
• 该装置可实现确定性超纠缠交换，证明其在远距离分发多粒子纠缠中的实用性。