[论文解读] Quantum computation in photonic crystals

Dimitris G. Angelakis, Marcelo F. Santos+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2004

Photonic Crystals and Applications被引用 1

一句话总结

本文提出利用光子晶体中缺陷诱导的波导来实现强非线性相互作用，从而支持可扩展的光学量子计算。通过在原子掺杂的线性缺陷链中束缚光子，该系统实现了足够的非线性，以实现单量子比特和双量子比特量子门，为光子量子信息处理网络提供了一种可行且可集成的平台。

ABSTRACT

Quantum computers require technologies that offer both sufficient control over coherent quantum phenomena and minimal spurious interactions with the environment. We show, that photons confined to photonic crystals, and in particular to highly efficient waveguides formed from linear chains of defects doped with atoms can generate strong non-linear interactions which allow to implement both single and two qubit quantum gates. The simplicity of the gate switching mechanism, the experimental feasibility of fabricating two dimensional photonic crystal structures and integrability of this device with optoelectronics offers new interesting possibilities for optical quantum information processing networks.

研究动机与目标

• 开发一种能够实现相干量子控制且环境退相干最小化的光子平台。
• 通过设计缺陷来增强非线性，以解决线性光学系统中光子-光子相互作用微弱的挑战。
• 展示一种利用光子晶体和缺陷波导实现通用量子门的可扩展架构。
• 实现与现有光电技术的集成，以支持实际的量子信息网络。

提出的方法

• 利用掺杂有原子的线性缺陷链的光子晶体，将光子高效地限制在波导中。
• 利用原子掺杂缺陷诱导的强非线性相互作用，实现有效的光子-光子相互作用。
• 设计缺陷结构以支持局域模，从而增强光与物质的耦合及非线性效应。
• 通过在缺陷波导系统中受控地操控光子态来实现量子门操作。
• 确保与二维光子晶体制造工艺兼容，以保证实验可行性。
• 将系统与光电组件集成，以实现可扩展的量子信息处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有原子掺杂缺陷波导的光子晶体能否产生足够的非线性相互作用以实现量子门操作？
• RQ2 如何通过缺陷波导中的光子束缚，在可扩展且实验可行的条件下增强非线性效应？
• RQ3 在该光子平台上，单量子比特和双量子比特量子门的实现程度如何？
• RQ4 该系统与现有光电技术在量子网络中集成的潜力有多大？

主要发现

• 由于原子掺杂，光子晶体缺陷波导中束缚的光子表现出强烈的有效非线性相互作用。
• 该系统可通过受控的光子操控实现单量子比特和双量子比特量子门。
• 门切换机制简单，且与二维光子晶体制造工艺兼容。
• 该平台可与光电技术集成，显著提升了其在可扩展量子信息网络中的潜力。
• 该方法为实现可扩展、相干且低退相干的光学量子计算提供了切实可行的路径。