[論文レビュー] Controllable two-photon interference with versatile quantum frequency processor

Hsuan‐Hao Lu, Joseph M. Lukens+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用数 35

ひとこと要約

本論文では、電気光学位相変調器とフォーリエ変換パルスシェーパーを用いた再構成可能量子周波数プロセッサを提案し、スペクトルに符号化された光子量子ビットにおけるユニバーサルで線形的かつ低ノイズな制御を実現する。2光子周波数ビンホン・オウ・マデル干渉で記録的な94%の可視度を達成し、高精度の独立したスペクトル相関反転を実証することで、スケーラブルな周波数多重量子ネットワークの実現に貢献する。

ABSTRACT

Quantum information is the next frontier in information science, promising unconditionally secure communications, enhanced channel capacities, and computing capabilities far beyond their classical counterparts. And as quantum information processing devices continue to transition from the lab to the field, the demand for the foundational infrastructure connecting them with each other and their users---the quantum internet---will only increase. Due to the remarkable success of frequency multiplexing and control in the classical internet, quantum information encoding in optical frequency offers an intriguing synergy with state-of-the-art fiber-optic networks. Yet coherent quantum frequency operations prove extremely challenging, due to the difficulties in mixing frequencies efficiently, arbitrarily, in parallel, and with low noise. Here we implement an original approach based on a reconfigurable quantum frequency processor, designed to perform arbitrary manipulations of spectrally encoded qubits. This processor's unique tunability allows us to demonstrate frequency-bin Hong-Ou-Mandel interference with record-high 94% visibility. Furthermore, by incorporating such tunability with our method's natural parallelizability, we synthesize independent quantum frequency gates in the same device, realizing the first high-fidelity flip of spectral correlations on two entangled photons. Compared to quantum frequency mixing approaches based on nonlinear optics, our linear method removes the need for additional pump fields and significantly reduces background noise. Our results demonstrate multiple functionalities in parallel in a single platform, representing a huge step forward for the frequency-multiplexed quantum internet.

研究の動機と目的

• スペクトルに符号化された光子量子ビットにおけるユニバーサルでスケーラブルな線形プラットフォームを構築すること。
• 非線形周波数混合の制限、例えばポンプによるノイズや複雑なポンプ場の要件を克服すること。
• 1つのデバイスで高可視度の2光子干渉と独立したスペクトル相関制御を実現すること。
• 既存のファイバーオプティカルインfrastrucutureを活用して周波数多重量子インターネットを実現すること。

提案手法

• プロセッサは電気光学位相変調器（EOM）とフォーリエ変換パルスシェーパーを用い、光子の離散的周波数ビンに対してユニタリ操作を適用する。
• 非線形性とそれに関連するノイズ（例えばラーマン散乱）を回避する線形的かつすべて光のアプローチを実装する。
• 周波数ドメインにおけるプログラマブルな位相および振幅整形を通じて、スペクトルに符号化された量子ビットの任意の操作を可能にする。
• 検出効率の低下や損失を考慮して、実験データから密度行列を再構成するためにベイズ平均推定（BME）フレームワークを用いる。
• 1つのデバイス内で並列かつ独立した量子周波数ゲート操作を可能にし、複雑なスペクトル状態変換を実現する。
• 周波数ビンと基底ペアの全16組のPOVM組み合わせを用いて、高精度な量子状態再構成を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形的かつ再構成可能な量子周波数プロセッサは、周波数ビン符号化量子ビットにおいて高可視度の2光子干渉を達成できるか？
• RQ2 1つのデバイスでエンタングルド光子に対して並列に独立したスペクトル相関操作を実行できるか？
• RQ3 ノイズと可視度の観点から、この線形的手法は非線形周波数混合と比較してどの程度優れているか？
• RQ4 1つのプラットフォームでどの程度の高精度なスペクトル相関制御が達成できるか？
• RQ5 現実的な損失および検出モデルを考慮したベイズ状態トモグラフィーは、周波数符号化状態に対して信頼性が高く、不確実性が低いフィデリティ推定を可能にするか？

主な発見

• 2光子周波数ビンホン・オウ・マデル干渉で94%の可視度を達成し、このようなシステムにおいて記録的な結果を達成した。
• 1つのデバイスで初めて高精度なスペクトル相関反転を実証し、周波数空間におけるエンタングルド光子状態の制御を可能にした。
• ベイズ平均推定（BME）法により、状態フィデリティが0.92 ± 0.01に達し、Y基底測定が限定的でも低不確実性を達成した。
• プロセッサは追加のポンプ場を必要とせず、並列かつ独立した量子周波数ゲート操作を実現し、バックグラウンドノイズを低減した。
• 線形的かつすべて光のアプローチにより、非線形光学素子の必要性がなくなり、ラーマン散乱やポンプ漏れに起因するノイズを顕著に低減した。
• 再構成された密度行列は高い正確性を示し、実部には低誤差、虚部には物理的制約に起因する境界付きの不確実性が見られた。