[论文解读] Spectral correlations among interfering nonidentical photons in universal linear optics

Simon Laibacher, Vincenzo Tamma|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2017

Photonic and Optical Devices被引用 1

一句话总结

本文提出了一种方法，通过测量非相同光子内模态（如时间或频率）之间的光谱相关性，无需滤波或后选择，即可在通用线性光学网络中恢复量子干涉。关键贡献在于，利用具有不同光谱特性的光子实现了多光子干涉及多体纠缠态的制备，揭示了网络中隐藏的对称性。

ABSTRACT

Multiphoton quantum interference underpins fundamental tests of quantum mechanics and quantum technologies. Consequently, the detrimental effect of photon distinguishability in multiphoton interference experiments can be catastrophic. Here, we employ correlation measurements in the photonic inner modes, time or frequency, to restore quantum interference between photons differing in their colors or injection times in arbitrary linear optical networks, without the need for additional filtering or post selection. Interestingly, we demonstrate how harnessing the multiphoton inner-mode quantum information enables to unravel symmetries of multiphoton networks and states and the generation of an entire class of multipartite entangled states with a fixed interferometer. These results are therefore of profound interest for future applications of universal inner-mode resolved linear optics across fundamental science and quantum technologies with photons with experimentally different spectral properties.

研究动机与目标

• 解决多光子量子干涉实验中光子不可区分性的问题。
• 消除在恢复非相同光子之间干涉时对光谱滤波或后选择的需求。
• 利用内模态量子相关性（时间/频率）在任意线性光学网络中恢复干涉。
• 通过内模态分辨测量揭示多光子网络和态中的隐藏对称性。
• 利用固定干涉仪和光谱不同的光子，实现多体纠缠态的确定性制备。

提出的方法

• 该方法利用光子内模态（特别是其时间或频率自由度）的相关性测量，量化并利用量子相关性。
• 将这些相关性应用于恢复在颜色或注入时间上不同的光子在通用线性光学网络中的干涉。
• 该方法依赖于光子内模态中固有的量子信息，避免使用外部滤波或后选择。
• 通过理论分析和网络对称性考虑，确定干涉可被恢复及纠缠态可被生成的条件。
• 该框架具有普适性，适用于任意线性光学网络，与具体干涉仪设计无关。
• 利用多光子振幅的结构识别可实现干涉恢复的对称性和相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不使用滤波或后选择的情况下，恢复线性光学网络中非相同光子之间的量子干涉？
• RQ2 内模态相关性（时间/频率）在恢复多光子干涉中起什么作用？
• RQ3 光谱相关性能否揭示多光子网络和态中的隐藏对称性？
• RQ4 如何利用固定线性干涉仪，通过具有不同光谱特性的光子生成一类完整的多体纠缠态？
• RQ5 内模态分辨测量与复杂多光子纠缠态生成之间存在何种联系？

主要发现

• 时间或频率模态中的光谱相关性可在通用线性光学网络中恢复非相同光子之间的量子干涉。
• 该方法成功在无需额外滤波或后选择的情况下恢复干涉，实现确定性操作。
• 内模态分辨测量揭示了多光子网络和态中此前隐藏的对称性。
• 该框架可利用单一固定干涉仪和光谱不同的光子，生成一类完整的多体纠缠态。
• 结果表明，仅通过光子内模态的内在量子相关性，即可保持并调控多光子干涉。