[论文解读] Topological Protection of Two-photon Quantum Correlation on a Photonic Chip

Yao Wang, Xiao-Ling Pang+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用 6

一句话总结

该论文通过在集成光子芯片上使用拓扑非平庸晶格，实验展示了两光子量子关联的拓扑保护。通过将光子限制在边缘态中，系统保持了高互相关性（10.70 ± 0.25），并实现了30个标准差的柯西-施瓦茨不等式违背，证实了对无序和耗散具有鲁棒性的量子关联保护。

ABSTRACT

Low-decoherence regime plays a key role in constructing multi-particle quantum systems and has therefore been constantly pursued in order to build quantum simulators and quantum computers in a scalable fashion. Quantum error correction and quantum topological computing have been proved being able to protect quantumness but haven't been experimentally realized yet. Recently, topological boundary states are found inherently stable and are capable of protecting physical fields from dissipation and disorder, which inspires the application of such a topological protection on quantum correlation. Here, we present an experimental demonstration of topological protection of two-photon quantum states on a photonic chip. By analyzing the quantum correlation of photons out from the topologically nontrivial boundary state, we obtain a high cross-correlation and a strong violation of Cauchy-Schwarz inequality up to 30 standard deviations. Our results, together with our integrated implementation, provide an alternative way of protecting quantumness, and may inspire many more explorations in 'quantum topological photonics', a crossover between topological photonics and quantum information.

研究动机与目标

• 在光子集成平台上展示多粒子量子关联的拓扑保护。
• 解决在退相干和无序条件下保持多光子系统非经典量子特性这一挑战。
• 探索利用拓扑边缘态作为鲁棒介质以保护两光子量子关联的可行性。
• 比较拓扑边界态与体态在保持量子关联性和非经典性方面的性能差异。
• 建立一个可扩展的、基于光子的芯片集成平台，用于拓扑量子信息处理。

提出的方法

• 使用飞秒激光直写技术在硼硅酸盐玻璃中制备光子晶格，通过调节间距实现波导耦合的可控性。
• 通过调节相位和几何结构，使晶格具备拓扑非平庸的边缘态，从而实现鲁棒的边界模式。
• 利用PPKTP晶体中的自发参量下转换产生偏振纠缠光子对，相同偏振态的概率为25%。
• 通过20倍物镜将光注入晶格，并利用10倍显微物镜和ICCD相机测量输出光强分布。
• 使用雪崩光电二极管和FPGA计数器测量互相关函数与自相关函数，同时通过偏振控制确保测量间通量一致。
• 应用柯西-施瓦茨不等式检验：$ (g_{s\text{-}i}^{(2)})^2 \leq g_{s\text{-}s}^{(2)} \cdot g_{i\text{-}i}^{(2)} $，以验证量子关联的非经典性。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子芯片上的拓扑边缘态能否保护两光子量子关联免受退相干和无序的影响？
• RQ2 在相同条件下，拓扑边界态中量子关联的保持性能与体态相比如何？
• RQ3 在拓扑保护系统中，两光子态的非经典特性能在多大程度上得以维持，其量化指标为柯西-施瓦茨不等式的违背程度？
• RQ4 具有工程化拓扑相的集成光子芯片能否作为保护多粒子量子态的可扩展平台？
• RQ5 在拓扑边缘模与无序体模中，两光子关联保持的定量保真度分别是多少？

主要发现

• 在拓扑保护边界态中测得的两光子互相关性为$10.70 \pm 0.25$，与输入值$11.47 \pm 0.02$非常接近，表明量子关联近乎完美地被保存。
• 相比之下，体态中的互相关性仅为$6 \pm \text{较大不确定度}$，不足以违背贝尔不等式，表明量子特性已丧失。
• 在边界态中观察到柯西-施瓦茨不等式的强烈违背，最高达30个标准差，证实了非经典性的鲁棒性。
• 光子概率分布显示出在边界处的强烈局域化，而体态则表现出显著的展宽和热化现象。
• 拓扑边缘态同时保持了两光子态的空间分布和量子关联性，而体态无法维持可测量的量子特征。
• 结果表明，拓扑保护能够有效屏蔽集成光子平台上由制造缺陷引起的无序和耗散对多粒子量子关联的影响。