[论文解读] Creation of Optical Cat and GKP States Using Shaped Free Electrons

Raphael Dahan, Gefen Baranes+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2022

Photocathodes and Microchannel Plates被引用 8

一句话总结

本文提出利用成形自由电子与光子结构（如波导和光子晶体）相互作用，生成光学猫态和Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）态，以克服光学域中弱非线性的挑战。该方法在10%后选择条件下实现超过10 dB的压缩和超过90%的保真度，若使用预压缩输入态，潜在效率可超过30%，从而实现电磁谱范围内可扩展的连续变量量子信息处理。

ABSTRACT

Cat states and Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states play a key role in quantum computation and communication with continuous variables. The creation of such states relies on strong nonlinear light-matter interactions, which are widely available in microwave frequencies as in circuit quantum electrodynamics platforms. However, strong nonlinearities are hard to come by in optical frequencies, severely limiting the use of continuous variable quantum information in the optical range. Here we propose using the strong interactions of free electrons with light as a source for optical cat and GKP states. The strong interactions can be realized by phase-matching of free electrons with photonic structures such as optical waveguides and photonic crystals. Our approach enables the generation of optical GKP states with above 10 dB squeezing and fidelities above 90% at post-selection probability of 10%, even reaching >30% using an initially squeezed vacuum state. Furthermore, the free-electron interaction allows for conditional rotations on the photonic state, enabling to entangle a pair of GKP states into a GKP Bell state. Since electrons can interact resonantly with light across the electromagnetic spectrum, our approach may be used for the generation of cat and GKP states over the entire electromagnetic spectrum, from radio-waves to X-rays.

研究动机与目标

• 为解决光学频率下缺乏强非线性的问题，该问题阻碍了猫态和GKP态等连续变量量子态的生成。
• 利用工程化光子结构中强电子-光子相互作用，实现确定性和高保真度的态制备。
• 将量子态的生成从微波平台扩展至光学及整个电磁谱。
• 实现高保真度的GKP态，具备可测量的压缩度和适用于量子信息应用的后选择效率。

提出的方法

• 利用成形自由电子与光子结构（如光学波导和光子晶体）之间的相位匹配相互作用，介导强有效非线性。
• 设计电子波函数以相干耦合至特定光子模式，实现对光场的条件态制备。
• 实施一种方案，通过电子-光子纠缠实现基于测量的光学猫态和GKP态的后选择制备。
• 使用初始压缩真空态以提高后选择效率，实现GKP态生成超过30%的成功概率。
• 通过电子介导的纠缠实现对光子态的条件旋转，从而实现GKP贝尔态的制备。
• 利用电子-光相互作用的广泛光谱可调谐性，将该方法扩展至电磁谱范围，从射频到X射线。

实验结果

研究问题

• RQ1 自由电子与光子结构的相互作用是否能以高保真度和可测量压缩度生成光学猫态和GKP态？
• RQ2 使用成形自由电子生成光学GKP态的后选择效率可达多高？
• RQ3 电子介导的相互作用是否能实现如条件旋转等纠缠操作，以生成贝尔态等纠缠GKP态？
• RQ4 使用预压缩输入态对GKP态生成的成功率和质量有何影响？
• RQ5 该方法在多大程度上可推广至电磁谱范围，从无线电波到X射线？

主要发现

• 通过10%的后选择概率，可生成压缩度超过10 dB且保真度超过90%的光学GKP态。
• 当输入态为初始压缩真空态时，后选择效率可超过30%，显著提升实际可行性。
• 该方法可通过电子介导的纠缠实现对光子态的条件旋转，从而实现GKP贝尔态的制备。
• 由于电子与光在宽频带范围内的共振相互作用，该方法在电磁谱范围内具有可扩展性。
• 自由电子与光子结构之间的相位匹配实现了强有效非线性，这对于光学域中的态制备至关重要。
• 该方案为此前受限于弱非线性的光学领域连续变量量子信息处理提供了可行路径。