[論文レビュー] Topological Protection of Two-photon Quantum Correlation on a Photonic Chip

Yao Wang, Xiao-Ling Pang+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、トポロジカルに非自明な格子を用いた統合フォトニクスチップ上で、2光子量子相関のトポロジカル保護を実験的に示した。光子をエッジ状態に閉じ込めることで、高い相互相関（10.70 ± 0.25）を維持し、カウチ＝シュバルツ不等式に対して30標準偏差の破れを達成した。これは、不規則性や散逸に対しても強固な量子相関保護を示している。

ABSTRACT

Low-decoherence regime plays a key role in constructing multi-particle quantum systems and has therefore been constantly pursued in order to build quantum simulators and quantum computers in a scalable fashion. Quantum error correction and quantum topological computing have been proved being able to protect quantumness but haven't been experimentally realized yet. Recently, topological boundary states are found inherently stable and are capable of protecting physical fields from dissipation and disorder, which inspires the application of such a topological protection on quantum correlation. Here, we present an experimental demonstration of topological protection of two-photon quantum states on a photonic chip. By analyzing the quantum correlation of photons out from the topologically nontrivial boundary state, we obtain a high cross-correlation and a strong violation of Cauchy-Schwarz inequality up to 30 standard deviations. Our results, together with our integrated implementation, provide an alternative way of protecting quantumness, and may inspire many more explorations in 'quantum topological photonics', a crossover between topological photonics and quantum information.

研究の動機と目的

• フォトニクス統合プラットフォームにおける多粒子量子相関のトポロジカル保護を実証すること。
• デ coherent および不規則性の影響を受ける多光子系において、非古典的量子特徴を保持する課題に対処すること。
• トポロジカルエッジ状態を、2光子量子相関を強固に保持する媒体として利用可能かどうかを検討すること。
• 同じ条件下でのトポロジカル境界状態とバルク状態の間で、量子相関および非古典的性質の維持性能を比較すること。
• フォトンを用いたトポロジカル量子情報処理のスケーラブルなチップ統合プラットフォームを確立すること。

提案手法

• フェムト秒レーザーライティングを用いてボロケラチックガラス中にフォトニック格子をフォーマーし、変動する間隔による波ガイド結合を制御した。
• 位相と幾何学を調整することで、トポロジカルに非自明なエッジ状態を有する格子を設計し、頑健な境界モードを実現した。
• PPKTP結晶を用いた自己誘発的パラメトリックダウンコンversionにより、同一偏光の確率が25%である偏光エンタングルド光子対を生成した。
• 20倍の目的レンズを介して光子を格子に注入し、10倍の顕微鏡レンズとICCDカメラを用いて出力分布を測定した。
• avalanche photodiodesとFPGAカウンタを用いて相互相関関数および自己相関関数を測定し、測定間で一貫したフラックスを確保するための偏光制御を実施した。
• カウチ＝シュバルツ不等式の検証として、$ (g_{s\text{-}i}^{(2)})^2 \leq g_{s\text{-}s}^{(2)} \cdot g_{i\text{-}i}^{(2)} $ を適用し、量子相関の非古典的性質を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクスチップ上のトポロジカルエッジ状態は、デコherenceおよび不規則性から2光子量子相関を保護できるか？
• RQ2 同一条件下でのバルク状態と比較して、トポロジカル境界状態における量子相関の保存はどの程度優れているか？
• RQ3 カウチ＝シュバルツ不等式の破れによって定量化されるように、トポロジカル保護系において2光子状態の非古典的性質はどの程度維持可能か？
• RQ4 設計されたトポロジカル相を有する統合フォトニクスチップは、多粒子量子状態を保護するスケーラブルなプラットフォームとして利用可能か？
• RQ5 トポロジカルエッジモードと不規則なバルクモードの間で、2光子相関の定量的忠実度はどの程度異なるか？

主な発見

• トポロジカル保護境界状態における2光子相互相関は、$10.70 \pm 0.25$ として測定され、入力値の$11.47 \pm 0.02$ に非常に近い値を示し、量子相関のほぼ完全な保存を示している。
• これに対して、バルク状態における相互相関は$6 \pm \text{大きな不確実性}$ にとどまり、ベル不等式の破れに十分でないため、量子的特徴の喪失を示している。
• 境界状態ではカウチ＝シュバルツ不等式に対して強い破れが観測され、最大で30標準偏差に達した。これは、強固な非古典的性質の確認を示している。
• 光子確率分布は境界で強く局在化している一方、バルク状態では顕著な広がりと熱化が観測された。
• トポロジカルエッジ状態は、2光子状態の空間的分布と量子相関の両方を保持したが、バルク状態では測定可能な量子的特徴を維持できなかった。
• 結果として、トポロジカル保護が、統合フォトニクスプラットフォームにおけるプロセスに起因する不規則性および散逸から多粒子量子相関を効果的に遮断できることを示した。