論文の概要: SPDCinv: Inverse Quantum-Optical Design of High-Dimensional Qudits
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2112.05934v1
- Date: Sat, 11 Dec 2021 09:05:23 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2021-12-14 18:58:56.994901
- Title: SPDCinv: Inverse Quantum-Optical Design of High-Dimensional Qudits
- Title（参考訳）: SPDCinv:高次元量子の逆量子光学設計
- Authors: Eyal Rozenberg, Aviv Karnieli, Ofir Yesharim, Joshua Foley-Comer,
Sivan Trajtenberg-Mills, Daniel Freedman, Alex M. Bronstein, and Ady Arie
- Abstract要約: 量子光学における自発パラメトリックダウンコンバージョンは、空間的な光モードを持つ高次元量子ドットの実現のための貴重な資源である。
主要なオープンな課題の1つは、SPDCプロセスで望ましいqudit状態を直接生成する方法である。
本稿では, 形状のポンプビームと構造化結晶の実験結果に対して, 物理的に制約された, 微分可能なモデルを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.257400045757374
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
- Abstract: Spontaneous parametric down-conversion in quantum optics is an invaluable
resource for the realization of high-dimensional qudits with spatial modes of
light. One of the main open challenges is how to directly generate a desirable
qudit state in the SPDC process. This problem can be addressed through advanced
computational learning methods; however, due to difficulties in modeling the
SPDC process by a fully differentiable algorithm that takes into account all
interaction effects, progress has been limited. Here, we overcome these
limitations and introduce a physically-constrained and differentiable model,
validated against experimental results for shaped pump beams and structured
crystals, capable of learning every interaction parameter in the process. We
avoid any restrictions induced by the stochastic nature of our physical model
and integrate the dynamic equations governing the evolution under the SPDC
Hamiltonian. We solve the inverse problem of designing a nonlinear quantum
optical system that achieves the desired quantum state of down-converted photon
pairs. The desired states are defined using either the second-order
correlations between different spatial modes or by specifying the required
density matrix. By learning nonlinear volume holograms as well as different
pump shapes, we successfully show how to generate maximally entangled states.
Furthermore, we simulate all-optical coherent control over the generated
quantum state by actively changing the profile of the pump beam. Our work can
be useful for applications such as novel designs of high-dimensional quantum
key distribution and quantum information processing protocols. In addition, our
method can be readily applied for controlling other degrees of freedom of light
in the SPDC process, such as the spectral and temporal properties, and may even
be used in condensed-matter systems having a similar interaction Hamiltonian.
- Abstract（参考訳）: 量子光学における自発的パラメトリックダウンコンバージョンは、空間的な光のモードを持つ高次元quditを実現するための貴重な資源である。
主要なオープンな課題の1つは、SPDCプロセスで望ましいqudit状態を直接生成する方法である。
この問題は高度な計算学習手法によって解決できるが、全ての相互作用効果を考慮した完全微分可能なアルゴリズムによるspdcプロセスのモデル化が困難であるため、進歩は限られている。
本稿では, これらの制限を克服し, 形状のポンプビームと構造化結晶の実験結果に対して, 物理的に制約された, 微分可能なモデルを導入する。
物理モデルの確率的性質によって引き起こされるいかなる制約も回避し、spdcハミルトニアンの下で進化を支配する動的方程式を統合する。
我々は、低変換光子対の所望の量子状態を達成する非線形量子光学系を設計する逆問題を解決する。
所望の状態は、異なる空間モード間の2階相関または要求密度行列を指定することによって定義される。
非線形体積ホログラムと異なるポンプ形状を学習することにより、最大絡み合った状態を生成する方法を示す。
さらに,ポンプビームの形状を積極的に変更することにより,生成された量子状態に対する全光コヒーレント制御をシミュレートする。
我々の研究は、高次元量子鍵分布や量子情報処理プロトコルの新しい設計などの応用に有用である。
また,SPDCプロセスにおけるスペクトルや時間特性などの他の自由度制御にも容易に適用でき,同様の相互作用を持つ凝縮マター系でも使用することができる。
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