[论文解读] Experimental Controlled-NOT Logic Gate for Single Photons

T. B. Pittman, Michael J. Fitch+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2003

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis被引用 8

一句话总结

该论文通过线性光学元件和后选择的三光子干涉，演示了一种用于单光子的概率性受控-非门（CNOT）量子逻辑门。通过纠缠控制光子、目标光子和辅助光子，仅当三者均被探测到特定输出模式时，该门才能实现量子逻辑操作，这是迈向可扩展线性光学量子计算的关键一步。

ABSTRACT

We report a proof-of-principle demonstration of a probabilistic controlled-NOT gate for single photons. Single-photon control and target qubits were mixed with a single ancilla photon in a device constructed using only linear optical elements. The successful operation of the controlled-NOT gate relied on post-selected three-photon interference effects which required the detection of the photons in the output modes.

研究动机与目标

• 通过仅使用线性光学元件，实现单光子的确定性量子逻辑门。
• 解决在光子量子计算中利用线性光学实现非线性量子操作的挑战。
• 证明后选择的多光子干涉可实现通用量子逻辑门。
• 验证利用概率性门操作实现可扩展线性光学量子计算的可行性。

提出的方法

• 该门利用分束器和移向器网络，对控制光子、目标光子和辅助光子进行相干混合。
• 该操作依赖于仅在三者均被探测到特定输出模式时才会发生的三光子干涉效应。
• 通过测量结果的后选择来识别成功的门操作。
• 使用单个辅助光子，实现了CNOT门所需的条件逻辑。
• 系统设计在仅使用线性光学的约束下运行，避免了对强光子-光子相互作用的需求。
• 门操作的成功通过在预定义输出通道中检测到全部三个光子而被宣告。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用线性光学元件实现单光子的受控-非门？
• RQ2 后选择的多光子干涉如何在光学线性系统中实现非线性量子逻辑？
• RQ3 辅助光子在实现光子量子比特条件逻辑操作中起到什么作用？
• RQ4 是否可能通过概率性线性光学门实现通用量子计算？
• RQ5 在实际实验条件下，此类门的局限性和成功概率如何？

主要发现

• 实验成功演示了仅使用线性光学元件和后选择的单光子CNOT门。
• 通过观测输出模式中的三光子干涉，确认了门操作的成功。
• 当所有三个光子被探测到特定输出通道时，门操作被成功宣告。
• 门操作保真度受限于该过程的概率特性以及光子损耗。
• 结果验证了利用线性光学和后选择实现量子逻辑门的可行性。
• 该方法为线性光学量子计算提供了一条可扩展的路径，尽管其成功为概率性。