[論文レビュー] High-fidelity generation of four-photon GHZ states on-chip

Mathias Pont, Giacomo Corrielli+18 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、量子ドットに基づく単光子源と低損失再構成可能ガラスフォトニクス回路を用いて、オンチップ上で4光子グリーナーバーガー・ホーン・ジーリング（GHZ）もつれ状態を高忠実度で生成することを示した。この研究では、目的のGHZ₄状態に対して86.0 ± 0.4%の忠実度を達成し、39標準偏差を超えるベルに類似した不等式の破れを通じてもつれを認証した。また、10.87%の量子ビット誤り率を示す4粒子量子秘密分散プロトコルを実装した。

ABSTRACT

Mutually entangled multi-photon states are at the heart of all-optical quantum technologies. While impressive progresses have been reported in the generation of such quantum light states using free space apparatus, high-fidelity high-rate on-chip entanglement generation is crucial for future scalability. In this work, we use a bright quantum-dot based single-photon source to demonstrate the high fidelity generation of 4-photon Greenberg-Horne-Zeilinger (GHZ) states with a low-loss reconfigurable glass photonic circuit. We reconstruct the density matrix of the generated states using full quantum-state tomography reaching an experimental fidelity to the target $|{ ext{GHZ}_4} angle$ of $\mathcal{F}_{ ext{GHZ}_4} (86.0\pm0.4)\,\%$, and a purity of $\mathcal{P}_{ ext{GHZ}_4}=(76.3\pm0.6)\,\%$. The entanglement of the generated states is certified with a semi device-independent approach through the violation of a Bell-like inequality by more than 39 standard deviations. Finally, we carry out a four-partite quantum secret sharing protocol on-chip where a regulator shares with three interlocutors a sifted key with up to 1978 bits, achieving a qubit-error rate of $10.87\,\%$. These results establish that the quantum-dot technology combined with glass photonic circuitry for entanglement generation on chip offers a viable path for intermediate scale quantum computation and communication.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子情報処理を実現するため、高忠実度かつオンチップ上で4光子GHZもつれ状態を生成すること。
• ボリュームオプティクスおよびフリースペースのセットアップに見られるスケーラビリティの制限を克服するため、量子ドット単光子源と再構成可能なフォトニクス回路を統合すること。
• 生成された状態の完全な量子状態トモグラフィーと、半デバイスインdependentなもつれ認証を実施すること。
• 生成されたGHZ状態を用いて、オンチップ上で4粒子量子秘密分散プロトコルを実装・検証すること。

提案手法

• 低損失統合回路と相性の良い通信波長で発光する明るく決定論的な量子ドットベースの単光子源を用いる。
• 低伝送損失と統合された熱的位相シフトャを備えたフェムト秒レーザーで加工されたガラスフォトニクス回路を採用する。
• 生成された4光子状態の密度行列を再構築するために、完全な量子状態トモグラフィーを実施する。
• 測定独立性と直接的な因果的影響なしを仮定した上で、非古典的相関を確認するための半デバイスインdependentなベルに類似した不等式テストを適用する。
• レギュレータが3名の参加者と基底依存の測定結果を用いて共有鍵を共有する4者向けの量子秘密分散プロトコルを適応する。
• 後選別と基底の一致処理を用いて共有鍵を抽出し、公開的に交換されたテストビットを用いて誤り率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合された量子ドット光源を用いた再構成可能なフォトニクスチップ上で、高忠実度の4光子GHZ状態を生成できるか？
• RQ2 オンチップフォトニクス回路は、もつれ忠実度をどの程度維持でき、完全な状態再構築を可能にするか？
• RQ3 チップベースのセットアップにおいて、4光子GHZ状態の非古典的相関が半デバイスインdependentなベルに類似した不等式テストにより認証可能か？
• RQ4 生成されたもつれ状態を用いて、オンチップ上で機能的な4粒子量子秘密分散プロトコルを実装・検証できるか？

主な発見

• 完全な量子状態トモグラフィーにより、実験で理想的な4光子GHZ状態との忠実度が86.0 ± 0.4%に達したことが確認された。
• 生成された状態は純度76.3 ± 0.6%を示し、もつれ状態の高いコherentlyと低ノイズを示した。
• ベルに類似した不等式の破れが39標準偏差を超える有意水準で観測され、真の量子もつれが認証された。
• チップベースのシステムにより、10.87%の量子ビット誤り率と最大1978ビットの共有鍵を有する4粒子量子秘密分散プロトコルが実現された。
• 熱的クロストークが主な因果的影響の可能性とされたが、特性評価によりそれが無視できるほど小さいことが示され、半デバイスインdependentな認証の妥当性が裏付けられた。
• フェムト秒レーザーで加工されたガラス回路と統合された量子ドット単光子源は、フォトニクス量子技術のスケーラブルで高忠実度なプラットフォームを実現する。