[论文解读] Generalized multi-photon quantum interference

Max Tillmann, Si-Hui Tan+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2014

Quantum Information and Cryptography被引用 11

一句话总结

本文提出了一种广义的多光子量子干涉框架，通过调节光子的可区分性（利用时间延迟）实现对干涉行为的调控，并采用转移矩阵的特征标函数（immanants）来描述所有可区分性程度下的干涉现象。作者在三光子集成干涉仪中实验展示了完整的符合率分布图，理论与实验结果高度吻合，并建立了一个对称性自适应基，成功将输入态与干涉网络解耦，为可扩展的量子光学提供了新方法。

ABSTRACT

Non-classical interference of photons lies at the heart of optical quantum information processing. This effect is exploited in universal quantum gates as well as in purpose-built quantum computers that solve the BosonSampling problem. Although non-classical interference is often associated with perfectly indistinguishable photons this only represents the degenerate case, hard to achieve under realistic experimental conditions. Here we exploit tunable distinguishability to reveal the full spectrum of multi-photon non-classical interference. This we investigate in theory and experiment by controlling the delay times of three photons injected into an integrated interferometric network. We derive the entire coincidence landscape and identify transition matrix immanants as ideally suited functions to describe the generalized case of input photons with arbitrary distinguishability. We introduce a compact description by utilizing a natural basis which decouples the input state from the interferometric network, thereby providing a useful tool for even larger photon numbers.

研究动机与目标

• 填补对非经典干涉理解的空白，超越理想情况下完全不可区分光子的限制。
• 通过将可区分性视为可调参数，克服实验中制备完全不可区分多光子态的挑战。
• 建立一个适用于任意光子可区分性与干涉仪构型的统一理论框架。
• 通过使用自然且对称性自适应的基，将输入态与干涉网络解耦，实现多光子干涉的可扩展描述。
• 通过在三光子集成光子电路中精确测量全谱可区分性下的符合率，对理论进行实验验证。

提出的方法

• 通过控制光子间的时间延迟来调节其可区分性，将延迟视为连续参数。
• 使用转移矩阵的特征标函数建模干涉，该函数推广了永久行列式与行列式，可描述任意可区分性程度。
• 基于对称性自适应基推导出简洁的理论描述，将输入态的性质与干涉网络的幺正演化分离。
• 利用可编程光子芯片实现三光子集成干涉网络，具备可调相移与延迟功能。
• 在多个延迟配置下测量四重符合率，并对数据进行归一化以获得相对输出概率。
• 采用加权最小二乘法拟合，将实验数据与理论预测进行比较，并使用简化卡方值（reduced χ²）评估拟合优度。

实验结果

研究问题

• RQ1 非经典干涉在从完全不可区分到完全可区分的全谱可区分性范围内如何演化？
• RQ2 转移矩阵的特征标函数是否能统一描述所有可区分性程度下的多光子干涉？
• RQ3 对称性自适应基在将输入态与干涉网络解耦方面起到何种作用，以实现可扩展的量子光学？
• RQ4 当通过时间延迟调节可区分性时，实验符合率分布图的预测精度如何？
• RQ5 在实际光子系统中，部分可区分性对玻色采样结果有何影响？

主要发现

• 在六个延迟配置下，实验映射了三光子的完整符合率分布图，显示出从量子干涉到经典干涉的平滑过渡。
• 基于转移矩阵特征标函数的理论预测与实验数据高度一致，简化卡方值分别为1.10和1.38，表明高保真度与强鲁棒性。
• 在最大可区分性情况下（Δτ = -1000 fs），输出124的测量符合率为8.18% ± 0.71%，与理论预测值8.25%高度吻合。
• 在最大量子干涉情况下（Δτ = 0 fs），输出123的符合率达到58.26% ± 2.73%，与理论值58.63%一致。
• 对称性自适应基成功将输入态的性质与干涉网络的幺正演化解耦，实现了简洁且可扩展的描述。
• 本研究证明，部分可区分性并非限制，而是一种可调资源，可在集成光子平台中实现对多光子干涉的完全控制。