[论文解读] Quantum Interference of Identical Photons from Remote Quantum Dots

Liang Zhai, Giang N. Nguyen+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 8

一句话总结

该论文通过利用来自远距离、独立的半导体量子点的相同光子，实现了近乎统一的可见度双光子干涉，克服了量子相干性方面的一个重大挑战。通过利用量子干涉，作者实现了高保真度的光子受控-非门操作以及来自不同光源的光子之间的纠缠，从而推动了可扩展的光子量子技术发展。

ABSTRACT

Photonic quantum technology provides a viable route to quantum communication, quantum simulation, and quantum information processing. Recent progress has seen the realisation of boson sampling using 20 single-photons and quantum key distribution over hundreds of kilometres. Scaling the complexity requires photonic architectures containing a large number of single photons, multiple photon-sources and photon-counters. Semiconductor quantum dots are bright and fast sources of coherent single-photons. For applications, a significant roadblock is the poor quantum coherence upon interfering single photons created by independent quantum dots. Here, we demonstrate two-photon interference with near-unity visibility using photons from remote quantum dots. Exploiting the quantum interference, we demonstrate a photonic controlled-not circuit and a high-fidelity entanglement between photons of different origins. Our results provide a long-awaited solution to the challenge of creating coherent single-photons in a scalable way. In the near future, they point to a demonstration of quantum advantage using quantum-dot single photons and an implementation of device-independent quantum key distribution.

研究动机与目标

• 克服独立量子点之间光子干涉时量子相干性差的挑战。
• 通过实现来自远距离光源的光子之间高保真度干涉，推动可扩展的光子量子技术发展。
• 通过使用独立量子点产生的单光子，展示实用的量子线路与纠缠。
• 为基于设备无关的量子密钥分发和量子优势铺平道路，采用基于量子点的光子系统。

提出的方法

• 利用半导体量子点作为明亮、快速且相干的单光子源。
• 实施精确的光谱与时间滤波，以确保远距离量子点之间光子的不可区分性。
• 采用马赫-曾德尔干涉仪，高精度测量双光子干涉的可见度。
• 利用量子干涉，在来自不同来源的光子之间实现光子受控-非门。
• 通过输出态的量子态层析技术验证高保真度纠缠。
• 优化光源同步与滤波，以最小化退相干并最大化干涉可见度。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自独立、远距离量子点的光子能否实现近乎统一的量子干涉可见度？
• RQ2 来自不同量子点的光子之间的量子干涉能否实现高保真度的量子逻辑操作？
• RQ3 能否生成并验证源自不同量子点的光子之间的纠缠？
• RQ4 该方法能否实现基于量子点源的可扩展光子量子信息处理？
• RQ5 该方法是否支持诸如设备无关量子密钥分发等实际应用？

主要发现

• 双光子干涉可见度达到近乎统一，证明了远距离量子点产生的光子具有高度不可区分性。
• 成功展示了利用独立量子点产生的光子实现光子受控-非门。
• 通过量子态层析技术确认，来自不同来源的光子之间生成了高保真度纠缠。
• 该结果通过实现独立光源之间的相干干涉，克服了可扩展光子量子技术中的一个主要瓶颈。
• 该方法为利用量子点单光子实现量子优势提供了可行路径。
• 研究结果支持了基于该平台实现设备无关量子密钥分发的可行性。