[论文解读] Quantum Photonic Interconnect

Jianwei Wang, Damien Bonneau+13 more|Bristol Research (University of Bristol)|Aug 13, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 6被引用 36

一句话总结

本文展示了一种高保真度的量子光子互连，通过集成的二维光栅耦合器实现路径-偏振转换，相干地在两片独立的硅光子芯片之间分发和操控路径纠缠光子量子比特。该系统实现了贝尔-CHSH参数 S = 2.638 ± 0.039，证实了芯片间的非定域量子关联，且在从偏振编码转换为路径编码后，路径编码态的保真度超过97.6%。

ABSTRACT

Integrated photonics has enabled much progress towards quantum technologies. Many applications, including quantum communication, sensing, and distributed and cloud quantum computing, will require coherent photonic interconnection between separate chip-based sub-systems. Large-scale quantum computing systems and architectures may ultimately require quantum interconnects to enable scaling beyond the limits of a single wafer and towards "multi-chip" systems. However, coherently interconnecting separate chips is challenging due to the fragility of these quantum states and the demanding challenges of transmitting photons in at least two media within a single coherent system. Distribution and manipulation of qubit entanglement between multiple devices is one of the most stringent requirements of the interconnected system. Here, we report a quantum photonic interconnect demonstrating high-fidelity entanglement distribution and manipulation between two separate chips, implemented using state-of-the-art silicon photonics. Path-entangled states are generated and manipulated on-chip, and distributed between the chips by interconverting between path-encoding and polarisation-encoding. We use integrated state analysers to confirm a Bell-type violation of $S$=2.638+-0.039 between two chips. With improvements in loss, this quantum interconnect will provide new levels of flexible systems and architectures for quantum technologies.

研究动机与目标

• 实现可扩展量子技术中独立芯片级量子系统之间的相干互连。
• 克服在不同光子编码方案之间跨芯片传输和转换过程中保持高保真度纠缠的挑战。
• 展示一种完全集成的片上解决方案，用于在不同硅光子芯片之间分发和操控光子量子比特。
• 通过实验验证贝尔-CHSH不等式的违背和态层析，评估互连性能。

提出的方法

• 在芯片-A上使用螺旋波导单光子源生成路径纠缠的贝尔态。
• 利用集成的二维光栅耦合器（PPC）将量子比特相干地从路径编码转换为偏振编码，通过10米单模光纤传输。
• 在芯片-B上使用相同的PPC结构将偏振编码重新转换回路径编码。
• 通过可调相移器（A(θAZ, θAY) 和 B(θBZ, θBY)）在两块芯片上执行任意投影测量，以测量关联系数。
• 利用标准公式，基于四个测量设置的测量符合计数，计算贝尔-CHSH参数 S。
• 通过态层析重建路径编码态的密度矩阵，并与理想偏振编码态进行比较，获得态保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够使用集成互连在两片独立的硅光子芯片之间实现并保持高保真度的纠缠？
• RQ2 是否能够使用片上组件在不产生显著损耗或退相干的情况下，实现路径编码与偏振编码之间的相干转换？
• RQ3 该互连在多大程度上保持了量子关联，其程度由贝尔-CHSH参数 S 量化？
• RQ4 通过互连在偏振编码与路径编码之间进行态传输的保真度是多少？
• RQ5 该系统是否能够支持跨芯片边界进行任意单量子比特测量和贝尔态分析？

主要发现

• 该系统实现了贝尔-CHSH参数 S = 2.638 ± 0.039，超过经典极限的2，证实了芯片间的非定域量子关联。
• 重建的路径编码态与理想偏振编码态之间的保真度在97.66%至99.46%之间，表明实现了高保真度的态传输。
• 实验测定了路径-偏振转换器（PPC）的过程矩阵，证实了不同编码方案之间的相干转换。
• 在60秒内进行符合计数测量并扣除偶然符合后，|Φ⟩⁺ 和 |Φ⟩⁻ 贝尔态的关联系数稳定且具有统计显著性。
• 二维光栅耦合器作为有效的路径-偏振转换器，实现了最小退化的相干转换。
• 结果表明，该系统展示了一种功能完备且可扩展的量子光子互连架构，适用于多芯片量子系统。