[论文解读] Entanglement Detection with Single Hong-Ou-Mandel Interferometry

Chang Jian Kwong, Simone Felicetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2016

Optical Polarization and Ellipsometry被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种极低资源消耗的方法，利用仅一个Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉仪和两个探测器，无论系统维度或模式数量如何，均可检测所有纠缠的量子态。通过利用量子态合并和轨道角动量（OAM）编码，该方案在无需完整层析技术的情况下，估计两个纯态之间的保真度以检测纠缠，表明纠缠检测所需的资源少于量子态层析技术。

ABSTRACT

Entanglement is not only fundamental for understanding multipartite quantum systems but also generally useful for quantum information applications. Despite much effort devoted so far, little is known about minimal resources for detecting entanglement and also comparisons to tomography which reveals the full characterization. Here, we show that all entangled states can in general be detected in an experimental scheme that estimates the fidelity of two pure quantum states. An experimental proposal is presented with a single Hong-Ou-Mandel interferometry in which only two detectors are applied regardless of the dimensions or the number of modes of quantum systems. This shows measurement settings for entanglement detection are in general inequivalent to tomography: the number of detectors in quantum tomography increases with the dimensions and the modes whereas it is not the case in estimation of fidelity which detects entangled states.

研究动机与目标

• 开发一种实验方案，以最少的测量资源检测所有纠缠的量子态。
• 证明纠缠检测无需进行完整的量子态层析，因为后者随系统规模增大而资源消耗急剧上升。
• 表明通过HOM干涉仪进行保真度估计可作为任意维度和多模系统中通用的纠缠检测工具。
• 利用当前光子技术（包括量子态合并和OAM编码）实现可行的实验实现。

提出的方法

• 该方法使用仅一个HOM干涉仪和两个探测器，以估计两个纯量子态之间的保真度。
• 采用量子态合并技术，将两个光子qubit合并为单个光子，信息编码于偏振和路径自由度。
• 利用空间光调制器（SLMs）实现轨道角动量（OAM）编码，将路径信息映射到OAM态。
• 应用后选择步骤以选取特定输出态（例如，路径a和c中的水平偏振），从而在偏振和路径自由度上获得四维输出态。
• 该方案依赖于玻色子系统中的聚束效应，即不可区分的光子在分束器处发生干涉，从而实现保真度估计。
• 通过观察由保真度估计导出的纠缠判据的负期望值来检测纠缠，而无需进行完整的层析重构。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不执行完整量子态层析的情况下检测纠缠？
• RQ2 是否可能使用固定数量的探测器检测所有类型的纠缠态，且与系统维度或模式数无关？
• RQ3 通过单个HOM干涉仪进行保真度估计能否作为通用的纠缠检测协议？
• RQ4 哪些实验技术能够实现利用当前光子技术的极低资源纠缠检测？

主要发现

• 所提出的方案仅使用两个探测器即可检测所有纠缠态，无论希尔伯特空间维度或模式数量如何。
• 该方法通过单个HOM干涉仪估计两个纯量子态之间的保真度，实现通用纠缠检测。
• 所需态制备的后选择成功概率为1/32，当前光子技术可实现。
• 该方案避免了量子层析中探测器数量随系统规模增长的资源扩展问题。
• 由保真度估计导出的纠缠判据可检测纠缠，而无需进行层析所需的完整测量集。
• 采用量子态合并和基于SLM的OAM编码，可在单个光子中高效编码多维信息。