[论文解读] Quantum suppression law in a 3-D photonic chip implementing the Fast Fourier Transform

Andrea Crespi, Roberto Osellame+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2015

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 40被引用 3

一句话总结

该论文通过飞秒激光直写波导在三维光子芯片上实现了量子快速傅里叶变换（QFT），观测到Fock态中多光子干涉的量子抑制定律。实验通过排除经典模型和可区分粒子模型，证实了特定输出态的抑制，从而验证了光子量子平台可扩展的认证方法。

ABSTRACT

The identification of phenomena able to pinpoint quantum interference is attracting large interest. Indeed, a generalization of the Hong-Ou-Mandel effect valid for any number of photons and optical modes would represent an important leap ahead both from a fundamental perspective and for practical applications, such as certification of photonic quantum devices, whose computational speedup is expected to depend critically on multiparticle interference. Quantum distinctive features have been predicted for many particles injected into multimode interferometers implementing the Fourier transformation in the Fock space. In this work we develop a scalable approach for the implementation of quantum fast Fourier transform using 3-D photonic integrated interferometers, fabricated via femtosecond laser writing technique. We observe the quantum suppression of a large number of output states with 4- and 8-mode optical circuits: the experimental results demonstrate genuine quantum interference between the injected photons, thus offering a powerful tool for diagnostic of photonic platforms.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的集成平台，用于观测光子系统中的多体量子干涉。
• 通过量子傅里叶变换，实验验证任意光子数和模式下的广义Hong-Ou-Mandel效应。
• 通过检测特定输出态的抑制，提供一种诊断工具以认证光子量子器件。
• 利用三维飞秒激光微加工技术，实现复杂、低损耗、可扩展的干涉电路。
• 通过排除可区分粒子和平均场态等替代模型，确认真正的量子干涉。

提出的方法

• 在块状玻璃中通过飞秒激光直写技术制备三维集成光子电路，实现对波导深度和耦合的精确控制。
• 在4-和8-模干涉仪中实现量子快速傅里叶变换（QFT）矩阵，以诱导多粒子干涉。
• 将2、4和8个不可区分光子的Fock态注入干涉仪，并测量输出端的符合计数模式。
• 通过调节光子之间的路径延迟，控制其可区分性，并追踪从经典干涉到量子干涉的转变。
• 应用基于抑制度（D_obs）的统计认证协议，将实验数据与可区分粒子模型（D_D）和平均场态模型（D_MF）的预测进行比较。
• 计算抑制度D_obs随路径延迟Δx的变化关系，发现在Δx = 0时达到最大抑制，证实了不可区分量子干涉。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维光子集成电路能否实现可扩展的量子傅里叶变换，以观测多体量子干涉？
• RQ2 观测到的特定输出态抑制是否能确认真正的量子干涉，而非经典或平均场模型？
• RQ3 量子抑制定律能否作为认证光子量子器件的诊断工具？
• RQ4 三维飞秒激光直写技术如何实现可扩展、低损耗的干涉电路，以支持量子实验？
• RQ5 抑制定律的违反程度是多少？是否能明确排除替代假设？

主要发现

• 实验在4-和8-模电路中清晰观测到特定输出态的抑制，证实了多粒子量子干涉。
• 对于双光子态，观测到的违反度D_obs(0)超过可区分粒子阈值D_D，且显著高于平均场预测值D_MF = 0.25，具有高度统计显著性。
• 在零路径延迟（Δx = 0）时，最大违反度得到确认，明确排除了可区分粒子和平均场模型。
• 抑制效应在多种输入配置和光子数下均表现稳健，证明了量子抑制定律的普适性。
• 三维飞秒激光直写平台实现了低损耗、可扩展的干涉仪，具有0.5 dB cm⁻¹的传播损耗，并实现了精确的三维波导控制。
• 结果验证了基于QFT的认证协议作为诊断光子量子处理器的强大工具，尤其在玻色采样领域具有重要意义。