[论文解读] Experimental demonstration of an entanglement-based quantum router

X.-Y. Chang, Y. X. Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

本文展示了一种全功能的基于纠缠的量子路由器，该路由器通过控制光子的偏振态相干地调控目标单光子脉冲的路径。通过利用投影测量将控制光子制备在任意叠加态上，路由器可相干地将目标光子路由至多个路径，平均量子路由保真度达93.24% ± 0.23%，并通过态层析验证了其量子操作特性。

ABSTRACT

We report an experiment that demonstrates full function of a quantum router using entangled photons, where the paths of a single-photon pulse are controlled in a coherent fashion by polarization of another single photon. Through a projective measurement, we prepare the polarization of the control photon in arbitrary superposition states, leading to coherent routing of the target photon in quantum superposition of different paths. We demonstrate quantum nature of this router through optical measurements based on quantum state tomography and show an average fidelity of $(93.24\pm 0.23)%$ for the quantum routing operation.

研究动机与目标

• 实现一种全功能的量子路由器，以实现单光子的相干、叠加态路由。
• 利用控制光子与目标光子之间的纠缠，实现具有量子相干性的路径路由控制。
• 通过严格的量子态层析验证路由操作的量子本质。
• 通过投影测量将控制光子制备在任意叠加态上，实现高保真度的路由。

提出的方法

• 利用自发参量下转换产生纠缠光子对，以生成初始资源态。
• 通过投影测量将控制光子的偏振态投影至任意叠加态。
• 根据控制光子偏振态的测量结果，相干地路由目标光子的路径。
• 对输出态执行量子态层析，以验证路由操作的量子本质。
• 通过将实验输出与理想目标态比较，量化路由过程的保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用纠缠和投影测量实现量子路由器，以相干地将单光子路由至多个路径？
• RQ2 控制光子的偏振叠加态在多大程度上决定了目标光子的路由路径？
• RQ3 量子路由操作的保真度是多少？该结果是否确认了过程的量子相干性？
• RQ4 能否通过态层析和保真度分析验证路由器操作的量子性？

主要发现

• 量子路由器成功基于与之纠缠的控制光子的偏振态，相干地将单个目标光子路由至多个路径。
• 该系统在量子路由操作中实现了93.24% ± 0.23%的平均保真度，表明高保真度的态转移。
• 量子态层析证实了路由过程的量子本质，展示了路径的相干叠加。
• 对控制光子实施的投影测量可实现任意叠加态，从而实现灵活且相干的路径选择。
• 结果验证了利用纠缠和测量诱导控制实现可扩展量子网络功能的可行性。