[论文解读] Quantifying n-photon indistinguishability with a cyclic integrated interferometer

Mathias Pont, Riccardo Albiero+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

本文提出一种可扩展、低深度的循环多端口干涉仪，具有 2n 个模式，可直接量化光量子系统中真实的 n 量子比特不可区分性。通过注入 n 个光子并测量作为内部相位函数的量子干涉条纹可见度，该方法提供了一种直接、实验可实现的不可区分性度量——在四光子情况下已通过飞秒激光微加工制造的 8 模式集成干涉仪得到验证，测得的不可区分性为 0.81 ± 0.03。

ABSTRACT

We report on a universal method to measure the genuine indistinguishability of n-photons - a crucial parameter that determines the accuracy of optical quantum computing. Our approach relies on a low-depth cyclic multiport interferometer with N = 2n modes, leading to a quantum interference fringe whose visibility is a direct measurement of the genuine n-photon indistinguishability. We experimentally demonstrate this technique for a 8-mode integrated interferometer fabricated using femtosecond laser micromachining and four photons from a quantum dot single-photon source. We measure a four-photon indistinguishability up to 0.81$\pm$0.03. This value decreases as we intentionally alter the photon pairwise indistinguishability. The low-depth and low-loss multiport interferometer design provides an efficient and scalable path to evaluate the genuine indistinguishability of resource states of increasing photon number.

研究动机与目标

• 开发一种通用、可扩展的方法，用于量化真实 n 量子比特不可区分性，这是光学量子计算的关键资源。
• 克服成对 HOM 干涉和现有界限的局限性，这些方法无法完全表征多光子不可区分性。
• 设计一种低深度、低损耗的干涉仪架构，实现无需依赖抑制律或见证量的直接、定量不可区分性测量。
• 通过集成 8 模式干涉仪和量子点单光子源，实验验证该方法在四光子情况下的适用性。

提出的方法

• 该方法采用具有 N = 2n 个模式的循环多端口干涉仪，仅使用两层分束器，确保光学深度与 n 无关。
• 通过调节干涉仪的内部相位 α₁，生成与真实 n 量子比特不可区分性成正比的量子干涉条纹，其可见度直接反映该不可区分性。
• 输出概率分布建模为 α₁ 的函数，通过条纹可见度提取系数 c₁，其中 c₁ = 0 表示完全可区分的光子，c₁ = 1 表示完全不可区分的光子。
• 实验中的非理想因素——如方向耦合器透射率偏差、损耗以及探测效率不平衡——通过校准参数进行建模与校正，以提高精度。
• 通过密度矩阵展开对完整量子态进行模拟，引入两光子重叠 M_ij 和 g^(2)(0) 以考虑多光子发射和部分可区分性。
• 数值模拟通过将预测的 c₁ 值与实验数据对比，验证了模型的正确性，校正多光子发射、DC 非理想性和探测不平衡后，两者具有良好一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种可扩展、低深度的干涉仪架构，以直接量化真实 n 量子比特不可区分性？
• RQ2 在循环多端口干涉仪中，量子干涉条纹的可见度与真实 n 量子比特不可区分性之间有何关系？
• RQ3 多光子发射、方向耦合器偏差和探测效率不足等实验非理想因素在多大程度上影响不可区分性测量？
• RQ4 该方法能否在 n > 2 的情况下，特别是四光子态中，实现实验验证？

主要发现

• 通过飞秒激光微加工制造的 8 模式集成干涉仪，实验测得四光子不可区分性为 0.81 ± 0.03。
• 当有意降低成对光子不可区分性时，测得的不可区分性随之下降，证实该方法对真实多光子相干性的敏感性。
• 数值模拟表明，主要误差来源是多光子发射（导致 c₁ 误差约 0.07），而方向耦合器非理想性和探测不平衡各自仅贡献约 0.001。
• 预测的校正后 c₁^mod = 0.590 ± 0.005 与实验测得的 c₁ = 0.61 ± 0.01 一致，验证了理论模型的准确性。
• 该方法成功分离并量化了真实 n 量子比特不可区分性，避免了成对 HOM 测量和基于抑制律的见证量的局限性。
• 低深度（两层）设计确保了可扩展性，使其适用于评估更大规模光子资源态中的不可区分性。