[论文解读] Topologically Protected Quantum Entanglement

Yao Wang, Yong‐Heng Lu+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用 10

一句话总结

本论文通过使用Su-Schrieffer-Heeger（SSH）晶格，在光子芯片上实验演示了拓扑保护的量子偏振纠缠。通过利用拓扑边界态，研究表明量子纠缠可有效抵抗材料引起的偏振旋转，过程层析成像证实即使存在显著相位失真，纠缠仍保持鲁棒性。

ABSTRACT

Quantum entanglement, as the strictly non-classical phenomena, is the kernel of quantum computing and quantum simulation, and has been widely applied ranging from fundamental tests of quantum physics to quantum information processing. The decoherence of quantum states restricts the capability of building quantum simulators and quantum computers in a scalable fashion. Meanwhile, the topological phase is found inherently capable of protecting physical fields from unavoidable fabrication-induced disorder, which inspires the potential application of topological protection on quantum states. Here, we present the first experimental demonstration of topologically protected quantum polarization entangled states on a photonic chip. The process tomography shows that quantum entanglement can be well preserved by the boundary states even when the chip material substantially introduces relative polarization rotation in phase space. Our work links topology, material and quantum physics, opening the door to wide applications of topological enhancement in genuine quantum regime.

研究动机与目标

• 在光子芯片平台上演示量子纠缠的拓扑保护。
• 通过利用拓扑鲁棒性，解决可扩展量子信息系统中的退相干问题。
• 实验验证当量子纠缠通过拓扑保护的边缘态传输时，即使存在材料引起的相位失真，纠缠仍能保持完整。
• 建立拓扑相、材料缺陷与量子信息处理中量子态保持之间的关联。

提出的方法

• 使用飞秒直写技术制备了一维Su-Schrieffer-Heeger（SSH）光子晶格，其具有交替的弱耦合与强耦合（d₁ = 15 μm，d₂ = 8.5 μm）。
• 通过四分之一波片和偏振片将输出态投影到一组基（H, V, D, R）上，利用量子态层析成像重建密度矩阵。
• 通过在输入态（H, V, D, R）与输出基（H, V, D, R, A, L）之间进行24次连续测量，执行量子过程层析成像，其中一光子用作触发信号。
• 利用最大似然优化方法重构过程矩阵χ，以确保量子过程的物理有效性。
• 分析重构过程矩阵与相位门S之间的关系，显示χ = SρS†，证实该过程实现了拓扑保护的相位操作。
• 比较拓扑边缘态（第1和第26个位点）与平凡体态中纠缠的保持情况，测量从20 mm到140 mm演化距离下的衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子芯片上的拓扑边界态能否保护量子偏振纠缠，使其免受材料引起的退相干影响？
• RQ2 在无序光子晶格中，拓扑边缘态与平凡体态在量子纠缠保持方面有何差异？
• RQ3 当相空间中引入相对偏振旋转时，拓扑保护在多大程度上能维持量子关联？
• RQ4 芯片上纠缠态变换过程能否准确由幺正过程矩阵描述，且其是否对应于已知的量子门？
• RQ5 当一个或两个纠缠光子对中的光子通过受保护的边缘态传播时，拓扑保护是否依然有效？

主要发现

• 即使芯片材料在相空间中引起显著的相对偏振旋转，量子偏振纠缠仍能在拓扑边界态（第1和第26个位点）中保持。
• 在平凡体态中，纠缠随演化距离增加呈指数衰减，证实非拓扑区域缺乏保护作用。
• 过程层析成像显示，重构的过程矩阵χ与相位门S的幺正变换一致，即χ = SρS†，表明该过程实现了拓扑保护的相位操作。
• 所有输入态下重构密度矩阵的保真度均保持较高，证实了在拓扑保护下纠缠态的鲁棒性。
• 无论是一对光子中的一个还是两个光子通过拓扑保护的边缘态传播，纠缠的保持均得以维持。
• 第1和第26个位点处的零能边缘模限制了光子，即使在晶格存在缺陷的情况下，也能实现纠缠态的稳定传输。