[论文解读] Schemes for generating W state of paths and W state of polarization photons

Bao‐Sen Shi, Akihisa Tomita|ArXiv.org|Aug 28, 2002

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用 3

一句话总结

本文提出了两种简单且实验上可行的方案，仅使用商用多端口光纤耦合器和单光子源，即可生成两类W态：(1) 通过对称N×N三端口耦合器，实现100%成功概率的路径W态（单光子）；(2) 通过相同耦合器的后选择测量，生成多光子极化W态，其成功概率高于以往方案。该方法具有可扩展性，无需复杂的纠缠态源或额外光学元件。

ABSTRACT

In this paper, we give two very simple schemes to produce two kinds of W states, one kind is path W state with one photon and the other is multiphoton photon polarization W state. These schemes just need a common commercial multiport fiber coupler and single photon sources, they are feasible by current technologies.

研究动机与目标

• 开发仅使用现有光学元件、实验上可行且低复杂度的W态生成方案，作为量子信息处理中的关键资源。
• 解决生成W态（特别是多光子极化W态）的挑战，实现高于现有线性光学方案的成功概率与更简化的实验设置。
• 证明仅使用一个商用多端口光纤耦合器和标准单光子源，即可生成任意N模路径W态与N光子极化W态。
• 通过最小化资源需求，实现W态在量子 teleportation、telecloning 和密集编码等应用中的实际部署。
• 通过消除对最大纠缠态源和复杂干涉仪结构的需求，推广现有方案。

提出的方法

• 使用对称N×N多端口光纤耦合器（三端口耦合器）将单光子相干地分割至N个空间模式，通过单位变换实现等幅分布，生成路径W态。
• 该变换由酉矩阵M描述，其中输入态|10…0⟩被映射为∑ₙ Mₙ₁|0…1…0⟩，产生一个光子位于任意N个模式之一的 Fock 态叠加。
• 对于多光子极化W态，三个或更多单光子源分别制备特定极化态（H或V）的光子，并同时输入N×N耦合器。
• 通过后选择筛选出每个输出端口恰好包含一个光子的事件，从而获得目标W态，其生成概率为|∑ₙ exp(iφₙ)|² / N²。
• 使用具有相等复相位（e^{i2π/3}, e^{i4π/3}）的对称三端口矩阵T，确保所有输出模式间幅度分布均匀。
• 该方案具有可扩展性：通过使用N×N耦合器和N个单光子源，可生成任意N模路径W态或N光子极化W态，其成功概率分别为100%和1/N²。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用标准光学元件，以100%成功概率生成一个光子在N个空间模式中的路径W态？
• RQ2 能否仅使用多端口耦合器和单光子源，实现高于现有线性光学方案的多光子极化W态生成成功概率？
• RQ3 是否可能在无需最大纠缠态源或复杂干涉仪结构的前提下，生成任意多模或多光子W态？
• RQ4 使用对称多端口耦合器如何影响W态生成的保真度与概率？
• RQ5 后选择能否有效用于概率性生成多光子W态，同时最小化资源开销？

主要发现

• 仅使用对称N×N多端口光纤耦合器和单光子源，即可实现100%成功概率生成一个光子在N个空间模式中的路径W态。
• 三模路径W态|W⟩ = 1/√3 (|100⟩ + |010⟩ + |001⟩) 可通过3×3三端口耦合器和单光子输入一个输入端口，以单位概率生成。
• 对于三光子极化W态，该方案在后选择“每输出端口一个光子”配置时，成功概率达1/9，高于参考文献[15]中的2/27。
• 四光子W态|W⟩ = 1/2 (|HHHV⟩ + |HHVH⟩ + |HVHH⟩ + |VHHH⟩) 可通过4×4耦合器与后选择实现1/16的成功概率。
• 该方法具有可扩展性：原则上，使用相同装置可生成任意N模路径W态与N光子极化W态，其成功概率分别为1和1/N²。
• 该方案消除了对额外纠缠态源或复杂光学元件的需求，显著简化了实验实现，比以往方法更实用。