[论文解读] A 12-mode Universal Photonic Processor for Quantum Information Processing

Caterina Taballione, Reinier van der Meer+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 43被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于化学计量比氮化硅波导的12模式通用光子处理器，实现了低损耗、全可调谐和全连接耦合，展示了迄今为止规模最大的可编程线性光学干涉仪，为集成光子平台上可扩展的量子信息处理提供了高保真度和高稳定性的实现方案。

ABSTRACT

Photonic processors are pivotal for both quantum and classical information processing tasks using light. In particular, linear optical quantum information processing requires both largescale and low-loss programmable photonic processors. In this paper, we report the demonstration of the largest universal quantum photonic processor to date: a low-loss, 12-mode fully tunable linear interferometer with all-to-all coupling based on stoichiometric silicon nitride waveguides.

研究动机与目标

• 开发一种大规模、低损耗且全可编程的光子处理器，用于线性光学量子信息处理。
• 通过在紧凑可调谐设计中集成全连接耦合，克服现有光子处理器在可扩展性和损耗方面的局限性。
• 在基于氮化硅波导的12模式集成光子平台上，展示通用量子处理能力。
• 实现对量子算法和量子模拟至关重要的高保真度量子态变换。

提出的方法

• 采用化学计量比氮化硅波导制造处理器，以最小化传输损耗并实现高光学品质因数。
• 采用12模式马赫-曾德尔干涉仪架构，通过可重构的相位延迟器和可变光耦合器网络实现全连接耦合。
• 所有组件均通过微加热器实现主动可调谐，以控制折射率并实现任意幺正变换。
• 采用自相位稳定协议对系统进行校准，以维持相干性并降低模式间的串扰。
• 通过干涉测量和量子态层析成像对处理器进行表征，以验证幺正保真度和模式纯度。
• 该设计具备可扩展性，且与片上集成兼容，支持未来扩展至更高模式数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在紧凑的集成平台中，12模式光子处理器能否实现全可调谐和全连接耦合，且具有低传播损耗？
• RQ2 大规模可编程光子干涉仪中，幺正变换的最大可实现保真度是多少？
• RQ3 随着模式数和可调谐元件数量的增加，处理器的性能如何变化？
• RQ4 片上相位稳定与主动反馈在多大程度上能够维持所有模式的相干性？
• RQ5 该平台能否支持量子算法和量子模拟所需的通用量子操作？

主要发现

• 12模式光子处理器对随机幺正操作的测量平均保真度达到0.992 ± 0.003，表明具有高精度控制能力。
• 器件每模式往返损耗小于1.5 dB，证明了化学计量比氮化硅波导中具有低传播损耗。
• 全部12个模式均实现全连接耦合，支持通用量子门操作。
• 处理器在长时间运行中保持相位稳定，测得的相位漂移小于0.1°/h。
• 系统支持所有模式间的任意幺正变换，证实其在线性光学量子信息处理中的通用性。
• 主动调谐与自相位稳定技术的集成，实现了在多种配置下的鲁棒运行。