[论文解读] Chip-scale Simulations in a Quantum-correlated Synthetic Space

Usman A. Javid, Raymond Lopez‐Rios+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种基于动态调制锂酸氧钛微腔的芯片级量子关联合成晶体，可生成带宽为~400×400合成晶格模式的宽带量子频率梳。通过利用自发参量下转换产生的时频纠缠以及片上电光调制，该系统实现了对量子关联的相干调控，从而在时频域中模拟量子随机行走、布洛赫振荡以及多能级拉比振荡。

ABSTRACT

An efficient simulator for quantum systems is one of the original goals for the efforts to develop a quantum computer [1]. In recent years, synthetic dimension in photonics [2] have emerged as a potentially powerful approach for simulation that is free from the constraint of geometric dimensionality. Here we demonstrate a quantum-correlated synthetic crystal, based upon a coherently-controlled broadband quantum frequency comb produced in a chip-scale dynamically modulated lithium niobate microresonator. The time-frequency entanglement inherent with the comb modes significantly extends the dimensionality of the synthetic space, creating a massive nearly 400 x 400 synthetic lattice with electrically-controlled tunability. With such a system, we are able to utilize the evolution of quantum correlations between entangled photons to perform a series of simulations, demonstrating quantum random walks, Bloch oscillations, and multi-level Rabi oscillations in the time and frequency correlation space. The device combines the simplicity of monolithic nanophotonic architecture, high dimensionality of a quantum-correlated synthetic space, and on-chip coherent control, which opens up an avenue towards chip-scale implementation of large-scale analog quantum simulation and computation [1,3,4] in the time-frequency domain.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、基于光子学中合成维度的片上模拟量子仿真平台。
• 通过利用纠缠光子之间的非经典量子关联，克服经典合成维度平台的局限性。
• 在单片纳米光子架构中实现高维、电控可调的量子模拟。
• 利用片上生成的纠缠态，演示实际的量子模拟，如量子随机行走与布洛赫振荡。
• 通过最小物理尺寸与高相干性，实现在时频域中的大规模量子模拟。

提出的方法

• 利用周期性畴反转的锂酸氧钛微腔中通过自发参量下转换（SPDC）产生的相干控制量子光学频率梳（QOFC）。
• 在谐振器内嵌入片上电光调制器，诱导频率梳模式间的最近邻耦合，形成紧束缚晶格。
• 利用信号光子与闲置光子之间的时频纠缠，将合成维度扩展至超越经典频率模式的范围。
• 通过纠缠与相干控制，构建具有近似400×400模式的二维量子关联合成晶格。
• 采用光谱干涉测量与联合光谱强度（JSI）测量表征量子关联并模拟动力学行为。
• 通过数值拟合与方差分析，从实验数据中提取振荡频率并量化量子行走的展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于片上光子平台能否利用片上量子频率梳生成高维量子关联合成晶格？
• RQ2 QOFC中的时频纠缠在多大程度上可将合成空间的有效维度扩展至超越经典频率模式的范围？
• RQ3 片上电光调制能否实现对量子关联的相干、可调制控制，以模拟复杂量子动力学？
• RQ4 该平台能否利用纠缠光子态模拟非平凡的量子现象，如量子随机行走与布洛赫振荡？
• RQ5 量子关联与可调耦合的集成如何实现单片纳米光子平台中的可扩展模拟量子仿真？

主要发现

• 该系统生成了约800个单光子模式的宽带量子频率梳，形成接近400×400模式的合成晶格。
• 信号光子与闲置光子之间的时频纠缠实现了长程量子关联，显著扩展了合成空间的有效维度。
• 该装置成功演示了双粒子量子随机行走，其测量方差与量子动力学一致，表现出在联合光谱强度（JSI）矩阵中的相干展宽。
• 在时频关联空间中观测到布洛赫振荡，通过校正后的符合计数直方图的正弦拟合提取振荡频率，置信水平达95%。
• 成功在纠缠光子对的光谱与时间关联函数中模拟了多能级拉比振荡。
• 该系统实现了对合成晶格的电控可调，可在单块芯片上重构模拟多种量子动力学。