[论文解读] Bell's measure and implementing quantum Fourier transform with orbital angular momentum of classical light

Xin-Bing Song, Yifan Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文利用具有轨道角动量（OAM）的经典光束演示了贝尔测量和量子傅里叶变换（QFT），通过利用偏振与OAM之间的非量子纠缠实现。通过设计量子门的经典类比——Hadamard门和受控相位门——实验实现了QFT，并在经典系统中实现了贝尔不等式的违背，从而实现了关键量子信息过程的经典模拟。

ABSTRACT

We perform Bell's measurement and perform quantum Fourier transform with the classical vortex beam. The violation of Bell's inequality for such a non-separable classical correlation has been demonstrated experimentally. Based on the classical vortex beam and nonquantum entanglement between the polarization and orbital angular momentum, the Hadamard gates and conditional phase gates have been designed. Furthermore, a quantum Fourier transform has been implemented experimentally, which is the crucial final step in Shor's algorithm

研究动机与目标

• 探索利用经典光束中轨道角动量（OAM）实现量子信息过程的经典类比。
• 利用具有偏振与OAM之间非量子纠缠的经典光学系统实现量子傅里叶变换（QFT）。
• 在具有非可分相关性的经典系统中执行贝尔测量并演示贝尔不等式的违背。
• 利用OAM和偏振自由度设计Hadamard门和受控相位门的经典类比。
• 验证使用经典光学系统模拟量子算法（如Shor算法）关键组件的可行性。

提出的方法

• 利用具有明确轨道角动量（OAM）的典型涡旋光束编码类似量子信息的态。
• 利用偏振与OAM之间的非量子纠缠模拟量子关联。
• 通过波片和空间光调制器设计经典Hadamard门和受控相位门，以操控OAM和偏振。
• 利用这些经典门构建量子傅里叶变换电路，模拟QFT的幺正变换。
• 通过偏振分析与OAM模式识别相结合的方式执行贝尔态测量。
• 通过测量经典系统中的关联性，实证验证贝尔不等式的违背。

实验结果

研究问题

• RQ1 在经典光中，偏振与OAM之间的非量子纠缠能否模拟量子测量统计？
• RQ2 在无真正量子纠缠的情况下，经典光学系统在多大程度上能够实现量子傅里叶变换？
• RQ3 在具有结构光的系统中，贝尔不等式能否在经典系统中被违背？这对经典模拟量子现象意味着什么？
• RQ4 经典光学元件在多大程度上能准确模拟Hadamard门和受控相位门等量子门？
• RQ5 使用经典光模拟Shor算法关键组件的实验可行性如何？

主要发现

• 实验通过经典涡旋光束实现了贝尔不等式的违背，表明即使不存在量子纠缠，仍表现出类非经典的关联性。
• 成功利用经典光学元件和OAM态实现了完整的量子傅里叶变换电路。
• 通过偏振-OAM操控实现了Hadamard门和受控相位门的经典类比，使经典域中的通用门操作成为可能。
• 该系统实现了高保真度的态制备与测量，从而可靠地实现了基于经典光的QFT。
• 结果证实，具有结构光的经典系统能够模拟关键的量子信息过程，包括基于纠缠的测量和量子算法。
• 在经典系统中实现贝尔不等式的违背，凸显了经典模型在描述非可分关联性方面的局限性，即使未涉及量子叠加。