[论文解读] 8x8 Programmable Quantum Photonic Processor based on Silicon Nitride Waveguides

Caterina Taballione, Tom A. W. Wolterink+11 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2018

Photonic and Optical Devices被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于低损耗氮化硅波导的8×8可重构量子光子处理器，实现了光子量子信息处理中的任意线性光学变换。该工作成功展示了Hong-Ou-Mandel干涉等量子基本操作的高保真度实现，以及高维量子门操作，标志着该平台上迄今为止最大的可编程集成光子电路。

ABSTRACT

The development of large-scale optical quantum information processing circuits ground on the stability and reconfigurability enabled by integrated photonics. We demonstrate a reconfigurable 8x8 integrated linear optical network based on silicon nitride waveguides for quantum information processing. Our processor implements a novel optical architecture enabling any arbitrary linear transformation and constitutes the largest programmable circuit reported so far on this platform. We validate a variety of photonic quantum information processing primitives, in the form of Hong-Ou-Mandel interference, bosonic coalescence/anticoalescence and high-dimensional single-photon quantum gates. We achieve fidelities that clearly demonstrate the promising future for large-scale photonic quantum information processing using low-loss silicon nitride.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、可重构的集成光子平台，用于大规模量子信息处理。
• 通过利用低损耗氮化硅波导，克服现有光学量子电路在可扩展性和稳定性方面的局限性。
• 展示可编程线性光学网络，能够实现任意幺正变换。
• 验证如玻色子聚并与和高维量子门等关键量子信息处理基本操作。

提出的方法

• 采用氮化硅波导设计并制造可重构的8×8线性光学网络，以实现低传播损耗和高稳定性。
• 实现一种新型光学架构，通过可编程相移器和马赫-曾德尔干涉仪实现任意幺正变换。
• 采用集成热光相移器实现网络幺正矩阵的动态可重构。
• 利用单光子源和片上探测器，在全集成平台上验证量子操作。
• 应用量子过程层析和干涉测量技术表征门保真度和相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在低损耗、集成化的氮化硅平台上实现大规模、可重构的光子量子处理器？
• RQ2 在此平台上，可实现高保真度量子操作的可编程线性光学网络的最大尺寸是多少？
• RQ3 该处理器能否可靠地实现Hong-Ou-Mandel干涉和玻色子聚并等基本量子原语？
• RQ4 该平台在多光子干涉中对高维单光子量子门的支持程度如何？

主要发现

• 8×8处理器成功实现了任意线性变换，代表了在氮化硅平台上迄今报道的最大可编程光子电路。
• 观察到高可见度的Hong-Ou-Mandel干涉，证实了光子的不可区分性。
• 实验上实现了玻色子聚并与反聚并，验证了多光子干涉中的量子统计特性。
• 在高维希尔伯特空间中实现了高保真度的单光子量子门，表明其具备可扩展潜力。
• 保真度明显超过经典基准，证实该平台适用于大规模量子信息处理。