[论文解读] Macroscopic Single-Qubit Operation for Coherent Photons

Shinichi Saito|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 86被引用 6

一句话总结

本文提出了一种光纤偏振态Poincaré旋转器，通过计算机控制的光调制器，实现了对宏观相干光子态的任意单量子比特操作。通过动态旋转Poincaré球上的偏振态（SU(2)变换），系统实现了最多100种可区分的量子态，并成功映射了C60和地球海岸线等复杂结构，展示了可扩展的光子量子比特控制能力。

ABSTRACT

Polarisation is described by an $SU(2)$ wavefunction due to macroscopic coherence of photons emitted from a ubiquitous laser source, and thus, a laser pulse is expected to behave as a macroscopic quantum bit (qubit), i.e., a qubit realised by a macroscopic number of photons. Here, we show that an arbitrary single-qubit operation can be carried out for such a macroscopic qubit by employing optical modulators, together with standard optical plates, in a computer-controlled fibre-optic configuration. We named the device as a Poincaré rotator, which allows a dynamic control over a polarisation state by executing an arbitrary amount of rotations on the Poincaré sphere. The Poincaré rotator works as an arbitrary $SU(2)$ operator in a Lie group, by combining a $U(1)$ operation to change the phase and another $U(1)$ operation to change the amplitude of the wavefunction. We have realised various polarisation states, such as $4 imes 4=16$, $8 imes 8=64$, and $10 imes 10=100$ distinguishable states on the sphere. As a locus of the realised polarisation states on the sphere, we have successfully drawn the molecular structure of Buckminsterfullerene (C$_{60}$) and the coastline of the earth.

研究动机与目标

• 证明来自激光的宏观数量相干光子可作为单个量子比特，通过其偏振态实现控制。
• 开发一种实用的、由计算机控制的光学系统，能够对光子量子比特实施任意SU(2)操作。
• 实现对偏振态的高保真度、动态控制，以在Poincaré球上实现复杂几何图案。
• 通过实验实现结构化态序列，验证使用宏观光子量子比特执行量子信息任务的可行性。

提出的方法

• 采用包含电光调制器和标准光学元件的光纤配置，实现动态偏振控制。
• 利用两个独立的U(1)操作——相位调制和振幅调制——在Poincaré球上生成任意SU(2)变换。
• 通过任意波形发生器（AWGs）编程任意旋转序列，以精确电压脉冲驱动调制器。
• 将几何数据（如C60结构、地球海岸线）转换为Poincaré球上的(γ, δ)角度序列，并转化为调制器电压。
• 实时测量斯托克斯参数(S₁, S₂, S₃)，以验证偏振轨迹并确保态演化保真度。
• 采用200 ns脉冲周期以最小化来自归零型AWG输出的信号纹波和符号间串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将宏观相干光子态（如激光脉冲）视为可通过SU(2)操作控制的单个量子比特？
• RQ2 是否可行使用标准光纤光学元件与计算机控制，在光子量子比特上实现任意单量子比特操作？
• RQ3 能否将C60分子等复杂几何结构忠实地表示为Poincaré球上的一系列偏振态？
• RQ4 该系统在实验中可实现的可区分偏振态的最大数量是多少？

主要发现

• Poincaré旋转器仅通过两种U(1)操作（相位调制和振幅调制）即成功实现了对宏观光子量子比特的任意SU(2)操作。
• 系统在Poincaré球上实现了16、64和100种可区分的偏振态，其中10×10配置实现了100种唯一态。
• 通过左哈密顿路径（60个顶点，每个仅访问一次），C60富勒烯分子结构被准确映射到Poincaré球上。
• C60的所有化学键均通过访问每个顶点及其三个最近邻实现，导致每个顶点被访问三次。
• 通过将地理坐标转换为调制器的电压序列，成功在Poincaré球上绘制了地球海岸线。
• 通过将脉冲周期增加至200 ns，有效抑制了AWG纹波引起的信号失真，确保了偏振态之间的清晰过渡。