[论文解读] Graph state engineering by phase modulation of the quantum optical frequency comb

Xuan Zhu, Chun-Hung Chang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2019

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本文提出通过单个光学参量振荡器（OPO）产生的量子光学频率梳（QOFC）的相位调制，实现可扩展的图态工程方法，使独立的EPR纠缠对能够过渡至一维线性簇态，最终形成二维正方形晶格簇态。该技术可实现与集成光子学高度兼容的通用量子计算资源定制。

ABSTRACT

The quantum optical frequency comb (QOFC) of a single optical parametric oscillator (OPO) is a scalable platform for quantum information as a generator of large size cluster states. We show that the phase modulation of the QOFCs emitted by an OPO is a powerful graph engineering technique that can increase the topological dimension of the generated cluster state, from zero (independent EPR pairs) to one (linear cluster state), and from one to two (square-lattice cluster state), thereby allowing the creation and tailoring of universal quantum computing resources. This concept is highly compatible with integrated photonics.

研究动机与目标

• 开发一种利用单个OPO生成大规模簇态的可扩展方法。
• 通过QOFC的相位调制实现对量子图态的拓扑控制。
• 将生成的簇态维度从零（EPR对）扩展至二维（正方形晶格态）。
• 提供一种与集成光子学兼容的技术，用于通用量子信息处理。

提出的方法

• 对单个光学参量振荡器（OPO）发出的量子光学频率梳（QOFC）施加相位调制。
• 相位调制改变QOFC的纠缠结构，从而实现对图态拓扑的控制。
• 通过调节相位调制图案，系统可实现从独立EPR对到线性簇态，再到二维正方形晶格簇态的过渡。
• 该方法利用QOFC平台固有的可扩展性，实现多模纠缠的生成。
• 该方法设计为与集成光子电路兼容，适用于实际的量子信息应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 QOFC的相位调制能否生成并调节具有不断增加拓扑复杂度的图态？
• RQ2 通过相位调制，生成的簇态维度在多大程度上可被控制？
• RQ3 该相位调制技术是否具备可扩展性，并与集成光子架构兼容？
• RQ4 该方法能否产生测量型通用量子计算的资源？

主要发现

• 相位调制实现了从零维（独立EPR对）到二维（正方形晶格簇态）的拓扑维度簇态工程。
• 该方法可系统性地实现从简单纠缠对到复杂通用量子计算资源的过渡。
• 由于采用单个OPO作为多模量子频率梳的光源，该技术具有内在可扩展性。
• 该方法与集成光子学高度兼容，可实现片上量子技术的实用化。