[论文解读] High-fidelity generation of four-photon GHZ states on-chip

Mathias Pont, Giacomo Corrielli+18 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

本论文通过基于量子点的单光子源与低损耗可重构玻璃光子电路，实现了芯片上高保真度的四光子Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）纠缠态生成。其对目标GHZ₄态的保真度达到86.0 ± 0.4%，通过超过39个标准差的类贝尔不等式破缺证实了纠缠，且实现了保真度为10.87%的四用户量子秘密共享协议。

ABSTRACT

Mutually entangled multi-photon states are at the heart of all-optical quantum technologies. While impressive progresses have been reported in the generation of such quantum light states using free space apparatus, high-fidelity high-rate on-chip entanglement generation is crucial for future scalability. In this work, we use a bright quantum-dot based single-photon source to demonstrate the high fidelity generation of 4-photon Greenberg-Horne-Zeilinger (GHZ) states with a low-loss reconfigurable glass photonic circuit. We reconstruct the density matrix of the generated states using full quantum-state tomography reaching an experimental fidelity to the target $|{ ext{GHZ}_4} angle$ of $\mathcal{F}_{ ext{GHZ}_4} (86.0\pm0.4)\,\%$, and a purity of $\mathcal{P}_{ ext{GHZ}_4}=(76.3\pm0.6)\,\%$. The entanglement of the generated states is certified with a semi device-independent approach through the violation of a Bell-like inequality by more than 39 standard deviations. Finally, we carry out a four-partite quantum secret sharing protocol on-chip where a regulator shares with three interlocutors a sifted key with up to 1978 bits, achieving a qubit-error rate of $10.87\,\%$. These results establish that the quantum-dot technology combined with glass photonic circuitry for entanglement generation on chip offers a viable path for intermediate scale quantum computation and communication.

研究动机与目标

• 实现高保真度、芯片集成的四光子GHZ纠缠态生成，以支持可扩展的量子信息处理。
• 通过将量子点单光子源与可重构光子电路集成，克服块状光学与自由空间装置的可扩展性限制。
• 通过全量子态层析实现生成态的完整量子态重建，并通过半设备无关的纠缠认证方法验证其非经典关联。
• 在芯片上实现并验证基于生成GHZ态的四用户量子秘密共享协议。

提出的方法

• 采用在电信波段工作、亮度高且确定性的基于量子点的单光子源，与低损耗集成光路兼容。
• 使用飞秒激光直写玻璃光子电路，具备低传播损耗，并集成热致相位移器以实现可重构性。
• 通过全量子态层析对生成的四光子态密度矩阵进行重建。
• 应用半设备无关的类贝尔不等式检验以认证非经典关联，假设测量独立性且无直接因果影响。
• 采用四用户量子秘密共享协议，其中监管方通过基依赖测量结果与三名参与者共享筛选密钥。
• 通过后选择与基位重合提取筛选密钥，并通过公开交换的测试比特评估误码率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过集成量子点源与可重构光子芯片，在紧凑的芯片上实现高保真度的四光子GHZ态？
• RQ2 芯片光子电路在多大程度上能保持纠缠保真度并支持完整态重建？
• RQ3 在芯片集成系统中，能否通过半设备无关的类贝尔不等式检验认证四光子GHZ态中的非经典关联？
• RQ4 能否在芯片上实现并验证基于生成纠缠态的四用户量子秘密共享协议？

主要发现

• 全量子态层析结果证实，实验生成态对理想四光子GHZ态的保真度达到86.0 ± 0.4%。
• 生成态的纯度为76.3 ± 0.6%，表明纠缠态具有高相干性与低噪声。
• 类贝尔不等式破缺显著超过39个标准差，证实了真实量子纠缠的存在。
• 芯片系统实现了四用户量子秘密共享协议，误码率为10.87%，筛选密钥长度最高达1978比特。
• 热串扰被识别为主要潜在因果影响来源，但通过表征证明其可忽略，支持了半设备无关认证的有效性。
• 量子点单光子源与飞秒激光直写玻璃电路的集成，为光子量子技术提供了一种可扩展、高保真度的平台。