[论文解读] Controllable two-photon interference with versatile quantum frequency processor

Hsuan‐Hao Lu, Joseph M. Lukens+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用 35

一句话总结

本文提出了一种基于电光调制器和傅里叶变换脉冲整形器的可重构量子频率处理器，实现了对光谱编码光子量子比特的通用、线性且低噪声的控制。该系统在两光子频率比特Hong-Ou-Mandel干涉中实现了94%的记录可见度，并展示了高保真度、独立的光谱关联翻转，为可扩展的频率复用量子网络铺平了道路。

ABSTRACT

Quantum information is the next frontier in information science, promising unconditionally secure communications, enhanced channel capacities, and computing capabilities far beyond their classical counterparts. And as quantum information processing devices continue to transition from the lab to the field, the demand for the foundational infrastructure connecting them with each other and their users---the quantum internet---will only increase. Due to the remarkable success of frequency multiplexing and control in the classical internet, quantum information encoding in optical frequency offers an intriguing synergy with state-of-the-art fiber-optic networks. Yet coherent quantum frequency operations prove extremely challenging, due to the difficulties in mixing frequencies efficiently, arbitrarily, in parallel, and with low noise. Here we implement an original approach based on a reconfigurable quantum frequency processor, designed to perform arbitrary manipulations of spectrally encoded qubits. This processor's unique tunability allows us to demonstrate frequency-bin Hong-Ou-Mandel interference with record-high 94% visibility. Furthermore, by incorporating such tunability with our method's natural parallelizability, we synthesize independent quantum frequency gates in the same device, realizing the first high-fidelity flip of spectral correlations on two entangled photons. Compared to quantum frequency mixing approaches based on nonlinear optics, our linear method removes the need for additional pump fields and significantly reduces background noise. Our results demonstrate multiple functionalities in parallel in a single platform, representing a huge step forward for the frequency-multiplexed quantum internet.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的线性平台，用于光谱编码光子量子比特中的通用量子频率操作。
• 克服非线性频率混合的局限性，如泵浦引起的噪声和复杂的泵浦场需求。
• 在单一器件中实现高可见度的两光子干涉和独立的光谱关联控制。
• 支持利用现有光纤基础设施实现频率复用量子互联网。

提出的方法

• 该处理器利用电光相位调制器（EOMs）和傅里叶变换脉冲整形器，在光子的离散频率子带上施加幺正操作。
• 采用线性、全光学方法，避免了非线性效应及其相关噪声（如拉曼散射）。
• 通过在频率域中对相位和振幅进行可编程整形，实现对光谱编码量子比特的任意操控。
• 采用贝叶斯均值估计（BME）框架，从实验数据中重建密度矩阵，考虑了探测效率低下和损耗的影响。
• 该方法支持在单一器件中并行、独立地执行量子频率门操作，实现复杂的光谱态变换。
• 使用覆盖频率子带与基对的完整16种POVM组合，以高保真度重建量子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 线性、可重构的量子频率处理器是否能在频率子带编码的量子比特中实现高可见度的两光子干涉？
• RQ2 能否在一个器件中并行对纠缠光子执行独立的光谱关联操作？
• RQ3 与非线性频率混合相比，该线性方法在噪声和可见度方面的性能如何？
• RQ4 在单一平台上，光谱关联控制在多大程度上可实现高保真度？
• RQ5 结合现实损耗和探测模型的贝叶斯态层析，能否对频率编码态提供可靠且低不确定度的保真度估计？

主要发现

• 该系统在两光子频率子带Hong-Ou-Mandel干涉中实现了94%的可见度，创下此类系统的新纪录。
• 首次在单一器件中实现了高保真度的光谱关联翻转，实现了对频率空间中纠缠光子态的控制。
• 贝叶斯均值估计（BME）方法获得0.92 ± 0.01的态保真度，尽管Y基测量有限，仍保持低不确定性。
• 该处理器可在无需额外泵浦场的情况下实现并行、独立的量子频率门操作，从而降低背景噪声。
• 线性、全光学方法消除了对非线性光学元件的需求，显著降低了拉曼散射和泵浦泄漏引起的噪声。
• 重建的密度矩阵具有高精度，实部误差低，虚部不确定性受物理约束限制，保持在合理范围内。