[论文解读] Reconfigurable synthesizer for quantum information processing of high-dimensional entangled photons

Ohad Lib, Kfir Sulimany+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于多平面光转换（MPLC）的可重构光子处理器，用于高维纠缠光子的量子信息处理。通过利用MPLC控制数百个空间模式的能力，作者在相同硬件上实现了四项关键量子任务——纠缠认证、定制化双光子干涉、任意态变换和模式转换，确立了MPLC作为未来量子技术中可扩展、灵活的平台。

ABSTRACT

High-dimensional entangled photons are a key resource for advanced quantum information processing. Efficient processing of high-dimensional entangled photons requires the ability to synthesize their state using general unitary transformations. The leading technology for processing photons in high-dimensions is integrated multiport interferometers. However, such devices are incompatible with free-space and fiber-based systems, and their architecture poses significant scaling challenges. Here we unlock these limitations by demonstrating a reconfigurable processor of entangled photons that is based on multi-plane light conversion (MPLC), a technology that was recently developed for multiplexing hundreds of spatial modes for classical free-space and fiber communication. To demonstrate the flexibility of MPLC, we perform four key tasks of quantum information processing using the same MPLC hardware: entanglement certification, tailored two-photon interference, arbitrary state transformations, and mode conversion. Based on the high degree of control we obtain, we expect MPLC will become a leading platform for future quantum technologies.

研究动机与目标

• 克服集成多端口干涉仪的局限性，其与自由空间和光纤系统不兼容，且面临扩展挑战。
• 实现高维纠缠光子的高效、可重构处理，以支持高级量子信息任务。
• 证明MPLC技术——最初为经典通信开发——可作为量子光子处理的可行平台。
• 通过单一器件架构实现对高维光子态的灵活、硬件可重构控制。
• 为未来需要在高维量子态上实现复杂酉变换的量子技术，提供可扩展且可集成的解决方案。

提出的方法

• 利用多平面光转换（MPLC）这一空间复用技术，在自由空间和基于光纤的系统中操控数百个空间模式。
• 基于MPLC构建可重构光学装置，对高维光子态执行通用酉变换。
• 通过在多个平面上对多个波前的相位和振幅进行控制，合成任意量子态。
• 使用单个MPLC器件在不进行硬件重新配置的情况下完成四项不同的量子信息任务。
• 将MPLC处理器应用于高维纠缠光子态的生成与操控，实现高保真度。
• 通过量子态层析、干涉测量和态变换协议验证处理器的功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 MPLC技术能否被适配以在自由空间和光纤系统中实现可重构的高维量子态处理？
• RQ2 单个基于MPLC的器件在多大程度上能够执行多种量子信息任务，如纠缠认证和定制化双光子干涉？
• RQ3 与集成多端口干涉仪相比，MPLC在高维量子光学中的可扩展性和控制保真度如何？
• RQ4 MPLC能否以实验精度实现对高维光子态的任意酉变换？
• RQ5 MPLC是否可作为未来大规模高维系统量子信息处理的可行平台？

主要发现

• 基于MPLC的处理器成功使用同一套硬件对高维光子态完成了纠缠认证。
• 实现了高可见度且可编程相位控制的定制化双光子干涉，展示了精确的量子干涉控制。
• 在高维态上实现了任意酉变换，证实了该器件在通用量子态操控方面的能力。
• 以高保真度实现了不同空间模式之间的模式转换，展示了处理器的可重构性。
• 同一套MPLC硬件在无需物理重新配置的情况下完成了全部四项量子任务，证明了其灵活性和可重编程性。
• 结果确立了MPLC作为未来高维量子信息处理中可扩展、可重构平台的地位。