[论文解读] Demonstration of an all-optical quantum controlled-NOT gate

Jeremy L. O’Brien, Geoff J. Pryde+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2004

Quantum Information and Cryptography被引用 43

一句话总结

该论文通过线性光学、预告单光子探测和量子态层析技术，展示了基于非经典干涉与条件探测的全光学量子受控非门（CNOT）。该受控非门通过非经典干涉和条件探测实现概率性操作，成功制备了所有四种贝尔态，保真度均高于75%，证实了高保真度纠缠与功能性CNOT操作，这对于可扩展的线性光学量子计算至关重要。

ABSTRACT

The promise of tremendous computational power, coupled with the development of robust error-correcting schemes, has fuelled extensive efforts to build a quantum computer. The requirements for realizing such a device are confounding: scalable quantum bits (two-level quantum systems, or qubits) that can be well isolated from the environment, but also initialized, measured and made to undergo controllable interactions to implement a universal set of quantum logic gates. The usual set consists of single qubit rotations and a controlled-NOT (CNOT) gate, which flips the state of a target qubit conditional on the control qubit being in the state 1. Here we report an unambiguous experimental demonstration and comprehensive characterization of quantum CNOT operation in an optical system. We produce all four entangled Bell states as a function of only the input qubits' logical values, for a single operating condition of the gate. The gate is probabilistic (the qubits are destroyed upon failure), but with the addition of linear optical quantum non-demolition measurements, it is equivalent to the CNOT gate required for scalable all-optical quantum computation.

研究动机与目标

• 通过仅使用线性光学和单光子探测，展示一种功能性强、保真度高的全光学CNOT门。
• 通过预告光子探测实现条件操作，实现如KLM所提出的可扩展量子计算。
• 通过所有四种最大纠缠贝尔态的量子态层析，全面表征该门的性能。
• 通过在所有输入逻辑态上保持一致操作且无需重新调谐，验证该门的稳定性和通用性。
• 通过贝尔不等式的违背和高可见度干涉条纹，提供量子纠缠的实验证据。

提出的方法

• 使用空间编码的光子量子比特和包含偏振分束器（PBS）与波片的马赫-曾德尔干涉仪实现CNOT门。
• 利用自发参量下转换产生能量简并的光子对作为输入态。
• 通过在每个输出模式中同时探测到一个光子（5 ns时间窗口内的符合探测）来预告门操作的成功。
• 使用计算机控制的HWP和QWP系统执行量子态层析，测量两量子比特密度矩阵重建所需的全部16组联合测量设置。
• 应用量子非破坏性（QND）测量原理，验证该门与KLM CNOT协议的等价性。
• 通过保真度、干涉条纹可见度以及凹纯度和纠缠度等纠缠度量，表征门的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用单光子源和探测器，在线性光学系统中实现确定性的CNOT门？
• RQ2 马赫-曾德尔干涉仪中的非经典干涉在多大程度上能够实现高保真度的两量子比特纠缠？
• RQ3 在不重新调谐的情况下，能否使用单一固定门配置高保真度地制备所有四种贝尔态？
• RQ4 模式匹配误差和输入光束指向如何影响门的保真度和纠缠保真度？
• RQ5 该实验实现是否足以证明该门与KLM CNOT协议的功能等价性？

主要发现

• 该门在逻辑基下平均成功率达到84%，符合探测证实了条件操作的实现。
• 在非正交基下条纹可见度超过90%，证实了强量子干涉和非经典行为。
• 量子态层析重建的四种贝尔态保真度分别为：|Ψ⁻⟩为0.87 ± 0.08，|Φ⁺⟩为0.77 ± 0.09，所有四种态的保真度均超过75%。
• 重建的密度矩阵清晰显示出纠缠特征，所有态均位于贝尔不等式可被违背的区域。
• 该门在24小时内无需重新调谐即可保持高稳定性和可重复性，适用于不同输入态。
• 主要误差来源被确定为控制量子比特和目标量子比特模式之间的模式失配，尤其影响控制量子比特为|1⟩的态。