On-demand, fotonisk entanglement synthesizer

Kvanteinformationsprotokoller er baseret på en række forskellige sammenfiltringstilstande såsom Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) og andre klyngestater. Til on-demand forberedelse, disse tilstande kan realiseres med sammenpressede lyskilder i optik, men sådanne eksperimenter mangler alsidighed, da de kræver en række optiske kredsløb for individuelt at realisere forskellige tilstande af sammenfiltring. I en nylig undersøgelse, Shuntaro Takeda og kolleger ved de tværfaglige afdelinger for anvendt fysik og teknik i Japan adresserede manglen ved at udvikle en on-demand entanglement synthesizer. Ved at bruge den eksperimentelle opsætning, fysikerne genererede programmerbart sammenfiltrede tilstande fra en enkelt sammenpresset lyskilde.

I arbejdet, de brugte et loop-baseret kredsløb dynamisk styret på nanosekunders tidsskalaer til at behandle optiske impulser i tidsdomænet. Forskerne genererede og verificerede fem forskellige sammenfiltrede tilstande i lille skala og en stor klynge indeholdende mere end 1000 tilstande i en enkelt opsætning uden at ændre det optiske kredsløb. Kredsløbet udviklet af Takeda et al. kunne lagre og frigive en del af de genererede sammenfiltrede tilstande for at fungere som en kvantehukommelse. Forsøgsrapporten offentliggjort den Videnskabens fremskridt , vil åbne en ny måde at bygge generelle entanglement-synthesizere on-demand ved hjælp af en skalerbar kvanteprocessor.

Entanglement er afgørende for mange kvanteinformationsprotokoller i qubit og kontinuert variable (CV) regioner, hvor de udfører en række forskellige applikationer. For eksempel, to-mode Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) tilstand er den mest almindeligt anvendte, maksimalt sammenfiltret tilstand som en byggesten for to-parts kvantekommunikation og for kvantelogiske porte baseret på kvanteteleportation. Den generaliserede version af denne tilstand er en n-mode Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) tilstand, der er central for opbygningen af ​​et kvantenetværk, hvor GHZ kvantetilstanden kan deles mellem n deltagere. For eksempel, de n deltagere kan kommunikere med hinanden for at dele kvantehemmeligheder. Til kvanteberegning på den anden side, en særlig type sammenfiltring kendt som klyngetilstande har tiltrukket sig stor opmærksomhed som en universel ressource til at tillade envejs kvanteberegning.

Den mest bekvemme og veletablerede metode, der er i brug på nuværende tidspunkt til deterministisk at forberede fotoniske sammenfiltrede tilstande, involverer blanding af sammenpresset lys ved hjælp af stråledelernetværk for at generere sammenfiltring i det kontinuerlige variable (CV) regime. Fysikere har for nylig demonstreret indviklede tilstande i stor skala ved at klemme lyskilder multiplekset i tidsdomænet eller frekvensdomænet. Metoden var ikke alsidig, da de skulle designe en række optiske opsætninger for at producere den specifikke sammenfiltringstilstand. Fysikere havde tidligere rapporteret den programmerbare karakterisering af flere typer sammenfiltring i multimode kvantetilstande ved hjælp af efterbehandlingsmålinger eller ved at ændre målegrundlaget. Den direkte syntese af en række forskellige sammenfiltringstilstande i en programmerbar, deterministisk måde inden for en enkelt ramme er fortsat en udfordrende opgave i øjeblikket, derfor.

I nærværende arbejde, Takeda et al. foreslået en on-demand fotonisk synthesizer til programmerbart at producere et vigtigt sæt sammenfiltrede tilstande for at løse den eksisterende udfordring ved at inkludere -

1. En EPJ-stat
2. En n-mode GHZ-tilstand, og
3. En n-mode lineær eller stjerneformet klyngetilstand for n≥2, i en enkelt opsætning.

De baserede synthesizeren på en dynamik, kontrollerbart fotonisk kredsløb, der behandlede optiske impulser i tidsdomænet. Ved at bruge kredsløbet, videnskabsmændene bekræftede den programmerbare generering af en række sammenfiltrede tilstande. Opsætningen kunne også lagre og frigive en del af den genererede sammenfiltrede tilstand for at fungere som en kvantehukommelse. Den nye metode tilbyder en lovende vej til fotonisk kvanteinformation bearbejdelighed, som omfatter skalerbarhed og programmerbarhed.

Når man danner begrebet en entanglement synthesizer, forskerne brugte en enkelt squeezer til sekventielt at producere sammenpressede optiske impulser i undersøgelsen. De indsprøjtede impulserne i et sløjfekredsløb, hvis rundturstid (τ) svarede til tidsintervallet mellem impulserne. Denne sløjfe inkluderede en stråledeler med variabel transmissivitet T (t) og en faseskifter med variabel faseforskydning θ (t) – hvor t angiver tid. Efter at have transmitteret gennem sløjfen, videnskabsmændene dirigerede pulserne til en homodynedetektor ved hjælp af en afstembar målebasis. Kredsløbet kunne syntetisere en række sammenfiltrede tilstande fra de pressede impulser - til efterfølgende analyse.

For at demonstrere genereringen af ​​programmerbar sammenfiltring, forskerne programmerede først synthesizeren til at generere fem forskellige sammenfiltrede tilstande i lille skala. Disse omfattede en (1) EPJ-tilstand, (2) en tre-mode GHZ, (3) en to-mode klyngetilstand, og (4) et par tre-mode klyngetilstande. For at verificere tilstanden af ​​sammenfiltring, videnskabsmændene anvendte tidsfunktioner på det homodyne signal (bølgefunktion konverteret til et elektrisk signal) og udtog kvadraturen af ​​de optiske bredbåndsimpulser for at vurdere korrelationen mellem forskellige impulser.

De kvantificerede styrken af ​​korrelation ved hjælp af uadskillelighedsparametre, der var direkte forbundet med niveauet af effektiv klemning. Forskerne var i stand til at opnå resultater, hvor værdierne opfyldte de uadskillelighedskriterier, der blev udledt i undersøgelsen, at demonstrere den programmerbare generering af fem forskellige sammenfiltrede tilstande. De forklarede værdierne ved hjælp af det akkumulerede tab under generering af klemt lys, sammenfiltret syntese i løkken og under målinger.

Alligevel, den eksperimentelle opsætning var ikke i stand til at syntetisere mere end tre-mode GHZ og klyngetilstande på grund af designbegrænsninger af den elektro-optiske (EOM) modulator, der drev kredsløbene. Som resultat, forskerne sigter mod at udvikle et mere sofistikeret drivende kredsløb eller bygge kaskadende flere EOM'er for at øge antallet af valgbare transmittivitetsværdier og generere en række forskellige GHZ- og klyngetilstande.

Entanglement-synthesizeren kunne også producere sammenfiltrede tilstande i stor skala for høj skalerbarhed; vist med en endimensionel klyngetilstand. Kredsløbet udviklet af forskerne svarede til den klyngetilstandsgenerering, der tidligere blev foreslået og efterfølgende demonstreret af Yokoyama et al. I nærværende arbejde, forskerne genererede en endimensionel klyngetilstand for mere end 1000 sammenfiltringsformer. På grund af tekniske begrænsninger, forskerne kunne kun måle 1008 tilstande i eksperimentet. Imidlertid, i princippet, denne metode har ikke en teoretisk grænse for antallet af sammenfiltrede tilstande, der kan genereres.

Forskerne var ikke i stand til direkte at sammenligne kvaliteten af ​​disse klyngetilstande sammenlignet med den tidligere ordning af Yokoyama et al. da det nuværende loop-baserede skema var modtageligt for tab på grund af yderligere optiske komponenter i den eksperimentelle opsætning. Det komponentbaserede tab i sløjfen inkluderede en variabel stråledeler og faseskifter, hvilket førte til tabsophobning, når de optiske impulser gentagne gange cirkulerede opsætningen.

Takeda et al. dannede også en kvantehukommelse ved at begrænse en optisk impuls i det programmerbare sløjfekredsløb. Selvom evnen til at tilføje justerbar forsinkelse til ikke-klassiske CV-tilstande kunne spille en nøglerolle for tidssynkronisering i en række kvanteprotokoller, fysikere havde kun udført nogle få kvantehukommelseseksperimenter for entangled continuous-variable (CV) tilstande indtil videre.

Mens en loop-baseret kvantehukommelse er en enkel og alsidig hukommelse, der ikke begrænser lysets bølgelængde eller kvantetilstand, det blev kun tidligere vist for enkelte fotoner. Takeda et al. demonstreret funktionaliteten i nærværende arbejde ved at generere en EPR-tilstand i løkken og gemme en del af EPR-tilstanden for n løkker for så endelig at frigive den. Forskerne kunne øge levetiden for kvantehukommelsen i opsætningen ved at øge den mekaniske stabilitet af sløjfen eller feedbacksystemet for at stabilisere kvantetilstanden. De var i stand til at gemme enhver CV-kvantetilstand i den loop-baserede hukommelse og inkluderede også ikke-Gaussiske tilstande ved at ændre squeezeren til andre kvantelyskilder.

På denne måde Takeda et al. programmerbart genererede og verificerede små og store sammenfiltrede tilstande og dynamisk styret transmissiviteten af ​​stråledeleren, faseforskydning og målegrundlag for et loop-baseret optisk kredsløb på nanosekunders tidsskalaer. De demonstrerede kredsløbets kvantehukommelseskapacitet ved at lagre en del af en EPR-tilstand i løkken. Systemet er programmerbart og meget skalerbart, tilbyder et unikt og alsidigt værktøj til fremtidige fotoniske kvanteteknologier.

Takeda et al. forestille sig at indlejre dette sløjfekredsløb i en større sløjfe for at realisere et indlejret arbitrært stråledelernetværk, der kombinerer de pressede inputpulser for at syntetisere vilkårlige klyngetilstande. De forudser også udvidelser af dette kredsløb til en universel kvantecomputer ved at inkludere en programmerbar forskydningsoperator baseret på homodynedetektorens signal og ikke-Gaussisk lyskilde. Det nye netværk vil danne et afgørende grundlag for at realisere disse mål og stimulere yderligere teoretisk og eksperimentel forskning i fotonisk kvanteinformationsbehandling.

© 2019 Science X Network