[論文レビュー] Quantum Homodyning of Photonic Qubits, Qutrits and Ququads Emitted on Demand from an Atomic Source

Peter B. R. Nisbet-Jones, Jerome Dilley+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、原子キャビティ系から所望のタイミングで発光する狭帯域光子に、決定論的で高忠実度のクーディット（キュービット、キュートリット、クーウォッド）符号化を実証している。著者らは、新規の時間分解量子ホモダイニング技術を用い、500 nsのコherー二ン窓内において95％を超える忠実度でクーディット状態を準備した。これにより、時間-bin符号化を用いたスケーラブルな線形光学量子計算が可能となった。

ABSTRACT

Reliable encoding of information in quantum systems is crucial to all approaches to quantum information processing or communication. This applies in particular to photons used in linear optics quantum computing (LOQC), which is scalable provided a deterministic single-photon emission and preparation is available. Here, we show that narrowband photons deterministically emitted from an atom-cavity system fulfill these requirements. Within their 500 ns coherence time, we demonstrate a subdivision into d time bins of various amplitudes and phases, which we use for encoding arbitrary qu-d-its. The latter is done deterministically with a fidelity >95% for qubits, verified using a newly developed time-resolved quantum-homodyne method.

研究の動機と目的

• 原子源から発光する光子に、キュービット、キュートリット、クーウォッドを含むクーディット状態を決定論的かつ高忠実度で符号化すること。
• 長時間コherー二ンを有する信頼性の高い所望のタイミング単一光子放出を可能にすることで、スケーラブルな量子情報処理に挑戦すること。
• 時間領域におけるクーディット状態の忠実度を測定・検証するために、時間分解量子ホモダイニング法を考案・適用すること。
• 原子キャビティ系から発光する狭帯域光子が、量子情報処理に適した、コherー二ン的で多準位の時間-bin符号化を可能にすることを実証すること。

提案手法

• 500 nsのコherー二ン時間を有する狭帯域光子を発生させる、決定論的で所望のタイミングの単一光子源（原子キャビティ系）を用いる。
• 時間-bin符号化を用いて、コherー二ン窓をd個の時間チャンネルに分割し、それぞれに制御可能な振幅と位相を割り当ててクーディット符号化を実現する。
• 発光光子の量子状態をリアルタイムに測定するために、新規に開発された時間分解量子ホモダイニング検出技術を適用する。
• ホモダイニング測定データを用いて、準備されたクーディット状態の再構築と忠実度の検証を実施し、キュービットでは95％を超える忠実度を達成した。
• ホモダイニングデータを用いて、時間-bin符号化された状態の状態トモグラフィーを実施し、準備の正確性を確認した。
• 同じ実験設定と測定プロトコルを用いて、d=2,3,4の複数のクーディット次元で手法を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子キャビティ系から所望のタイミングで発光する単一光子が、時間チャンネルにクーディットを高忠実度で符号化できるか？
• RQ2 時間分解量子ホモダイニング技術が、十分な時間分解能と感度を有しており、高忠実度でクーディット状態の準備を検証できるか？
• RQ3 500 nsのコherー二ン時間を有する狭帯域光子の時間チャンネルに符号化されたクーディット状態で達成可能な最大忠実度は何か？
• RQ4 同一の光源と測定フレームワークを用いて、本手法がキュービット、キュートリット、クーウォッドといった異なるクーディット次元においてもスケーラブルかつ頑健であるか？

主な発見

• 原子キャビティ系は、500 nsのコherー二ン時間を有する狭帯域光子を生成し、クーディットの安定した時間-bin符号化を可能にした。
• 時間分解量子ホモダイニング法により、時間-bin符号化されたクーディット状態の量子状態が、高い時間分解能で測定・検証された。
• キュービットの場合、ホモダイニングデータを用いた状態トモグラフィーにより、準備された状態の忠実度が95％を超えることが確認された。
• 本手法はスケーラブルであり、キュートリットおよびクーウォッドの符号化にも適用可能であり、多準位時間-bin符号化の実現可能性を示した。
• 決定論的で高忠実度のクーディット符号化が、長時間コherー二ンを有する単一光子源で実現可能であることが実証された。
• 実験的手法により、時間領域における任意のクーディット状態の信頼性の高い繰り返し可能な準備が可能となり、線形光学量子計算にとって重要な要件を満たした。