[论文解读] Creation of Entangled Photonic States Using Linear Optics

Sara Bartolucci, Patrick M. Birchall+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Optical Network Technologies参考文献 2被引用 18

一句话总结

本文引入先进的线性光学技术，以显著更高的成功概率概率性地生成光子纠缠态，优于以往方法。通过利用自适应测量策略、复用技术以及新型协议如“bleeding”和“primates”，作者实现了最多2/3的贝尔态生成概率，并通过使用贝尔态辅助比特将Type-I融合成功概率提升至75%，大幅降低了在线性光学量子计算架构中的资源开销。

ABSTRACT

Using only linear optical elements, the creation of dual-rail photonic entangled states is inherently probabilistic. Known entanglement generation schemes have low success probabilities, requiring large-scale multiplexing to achieve near-deterministic operation of quantum information processing protocols. In this paper, we introduce multiple techniques and methods to generate photonic entangled states with high probability, which have the potential to reduce the footprint of Linear Optical Quantum Computing (LOQC) architectures drastically. Most notably, we are showing how to improve Bell state preparation from four single photons to up to p=2/3, boost Type-I fusion to 75% with a dual-rail Bell state ancilla and improve Type-II fusion beyond the limits of Bell state discrimination.

研究动机与目标

• 解决在线性光学光量子计算中光子纠缠态生成固有的概率性问题。
• 通过提高关键纠缠操作的成功概率，减少线性光学量子计算（LOQC）架构的资源开销和占地面积。
• 开发新型自适应协议——“bleeding”和“primates”——利用非稳定子中间态以实现更高效的纠缠态生成。
• 证明可通过更少的光子源和更简单的复用方案实现高保真纠缠态。

提出的方法

• 提出“bleeding”——在使用四个单光子生成贝尔态时，通过自适应测量策略，将成功概率提升至2/3。
• 提出“primates”——一种利用非稳定子中间态和自适应控制的协议，实现高效复用的GHZ态生成。
• 采用带有主动开关网络的复用技术，从并行实验中选择成功的纠缠事件。
• 使用辅助贝尔态将Type-I融合的成功概率从1/2提升至3/4，实现簇态的确定性渗滤。
• 通过辅助光子或贝尔对进行部分贝尔基测量，将成功概率提升至5/8或3/4。
• 利用类似DFT的干涉仪实现去展宽操作，在概率性操作后将光子减除态重新集中到信号模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过自适应线性光学技术，将四个单光子生成贝尔态的成功概率突破1/4的极限？
• RQ2 能否通过辅助纠缠态将Type-I融合的成功概率提升至1/2以上？
• RQ3 能否利用非稳定子中间态减少复用纠缠态生成中所需的光子源数量？
• RQ4 能否通过辅助光子或纠缠态增强部分贝尔基测量，以改进融合协议？
• RQ5 是否可能仅通过贝尔态和自适应线性光学实现近乎确定性的簇态构建？

主要发现

• 通过“bleeding”协议，四个单光子生成贝尔态的成功概率最高可达2/3，突破了此前1/4的极限。
• 通过使用双轨贝尔态作为辅助比特，Type-I融合的成功概率被提升至75%，实现了更高效的纠缠态扩展。
• “primates”协议实现了复用GHZ态生成，所需光子源数量少于已知的基于量子比特的方案。
• 通过使用两个单光子辅助比特或一个贝尔对，部分贝尔基测量的成功概率可分别提升至5/8或3/4。
• 当使用最优透光率t = √2 − 1时，生成4-GHZ态所需的单光子数量最小化至约309个。
• 本文证明，仅通过贝尔态和自适应线性光学即可实现球形簇态的弹道式构建，解决了该领域长期存在的开放性问题。