[论文解读] Quantum Tomography of Inductively-Created Large Multiphoton States

E. Megidish, Ayelet Halevy+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种资源高效的方案，用于完全表征通过耦合纠缠光子对产生的大型多光子格林伯格-霍恩-泽利ninger（GHZ）态。通过实验对两光子源和耦合过程进行层析成像，作者计算了最多含十二个光子的GHZ态的完整密度矩阵，四光子态保真度达85.4%，并在十光子内保持了真实的多光子纠缠，保真度超过50%。

ABSTRACT

The generation of quantum entangled states of many particles is a central goal of quantum information science. Characterizing such states is a complex task that demands exponentially large resources as particles are being added. Previously, we demonstrated a resource efficient source that can generate, in principal, entanglement between any number of photons. This source recursively fuse photon pairs generated by a pulsed laser into a multiphoton entangled state. In the current work, we perform quantum state tomography on the photon pair source and quantum process tomography on the fusion operation. As a result, the full quantum Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state of any number of photons can be calculated. We explore the prospects of our scheme and calculate nonlocality and genuine extit{N}-photon entanglement thresholds for states with up to twelve photons.

研究动机与目标

• 为克服标准量子态层析成像在大规模多光子纠缠态中指数级的资源增长问题。
• 实现在无需直接实验探测完整态的前提下，对高光子数GHZ态进行完整表征。
• 验证大规模多光子系统中真正的N光子纠缠与非定域性。
• 展示在当前实验极限之外生成和表征多光子纠缠态的可行性。

提出的方法

• 对两光子纠缠源执行量子态层析成像（QST），以重建其密度矩阵。
• 对两光子耦合操作执行量子过程层析成像（QPT），以重建过程矩阵。
• 利用实验表征的两光子态和耦合过程，解析计算任何可能生成的GHZ态的完整密度矩阵。
• 应用最大似然估计和自展蒙特卡洛模拟以评估重建态的误差与保真度。
• 使用Mermin和Żukowski贝尔不等式计算非定域性阈值，以评估对定域实在论的违背程度。
• 利用时间延迟和偏振分束器实现光子对的顺序耦合，以构建更大的纠缠态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不直接实验测量完整态的前提下，计算出大规模多光子GHZ态的完整密度矩阵？
• RQ2 随着光子数的增加，重建GHZ态的保真度如何变化？是否超过真实N光子纠缠所需的阈值？
• RQ3 该系统在多大程度上违背定域实在论？这种违背程度如何随光子数变化？
• RQ4 实验中的不完美因素（如光子可区分性与偏振误差）如何影响重建态的保真度？
• RQ5 尽管探测效率较低，该耦合过程是否仍可用于生成和表征超过十个光子的态？

主要发现

• 从源和耦合过程重建的四光子GHZ态与理想态的保真度为（85.4 ± 0.2）%。
• 六光子GHZ态与理想态的保真度为（74.3 ± 0.4）%，证实了GHZ类关联。
• 真正的多光子纠缠在十光子内得到确认，保真度高于真实N光子纠缠所需的50%阈值。
• 十二光子态的保真度为（49.3 ± 0.65）%，略低于50%阈值，表明处于近阈值性能水平。
• 所有光子在|p/m⟩基测量下的计算干涉可见度均超过Mermin和Żukowski非定域性阈值，证实了所有研究光子数下对定域实在论的违背。
• 该方法仅通过两光子层析成像即可实现对最多十二光子GHZ态的完整表征，从而绕过了标准量子态层析成像的指数级资源增长。