論文の概要: Quantum nondemolition measurements with optical parametric amplifiers
for ultrafast universal quantum information processing
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2209.01114v1
- Date: Fri, 2 Sep 2022 15:23:40 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-01-28 04:02:15.861066
- Title: Quantum nondemolition measurements with optical parametric amplifiers
for ultrafast universal quantum information processing
- Title（参考訳）: 超高速ユニバーサル量子情報処理のための光パラメトリック増幅器による量子非退化測定
- Authors: Ryotatsu Yanagimoto, Rajveer Nehra, Ryan Hamerly, Edwin Ng, Alireza
Marandi, Hideo Mabuchi
- Abstract要約: 室温超高速光子数分解(PNR)量子非分解(QND)測定の実現は、フォトニック量子情報処理(QIP)に重大な影響を与える。
位相整合型光パラメトリック増幅器(OPA)を駆動するコヒーレントポンプ場は,信号Bogoliubov励起数に応じて変位を経験することを示す。
これにより、ポンプ変位の測定は、信号Bogoliubov励起のQND測定を提供し、信号モードを励起光子数状態に投影する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Realization of a room-temperature ultra-fast photon-number-resolving (PNR)
quantum nondemolition (QND) measurement would have significant implications for
photonic quantum information processing (QIP), enabling, e.g., deterministic
quantum computation in discrete-variable architectures, but the requirement for
strong coupling has hampered the development of scalable implementations. In
this work, we propose and analyze a nonlinear-optical route to PNR QND using
quadratic (i.e., $\chi^{(2)}$) nonlinear interactions. We show that the
coherent pump field driving a phase-mismatched optical parametric amplifier
(OPA) experiences displacements conditioned on the number of signal Bogoliubov
excitations. A measurement of the pump displacement thus provides a QND
measurement of the signal Bogoliubov excitations, projecting the signal mode to
a squeezed photon-number state. We then show how our nonlinear OPA dynamics can
be utilized for deterministically generating Gottesman-Kitaev-Preskill states
only with additional Gaussian resources, offering an all-optical route for
fault-tolerant QIP in continuous-variable systems. Finally, we place these QND
schemes into a more traditional context by highlighting analogies between the
phase-mismatched optical parametric oscillator and multilevel atom-cavity QED
systems, by showing how continuous monitoring of the outcoupled pump quadrature
induces conditional localization of the intracavity signal mode onto squeezed
photon-number states. Our analysis suggests that our proposal may be viable in
near-term $\chi^{(2)}$ nonlinear nanophotonics, highlighting the rich potential
of OPA as a universal tool for ultrafast non-Gaussian quantum state engineering
and quantum computation.
- Abstract（参考訳）: 室温超高速光子数分解(pnr)量子非退化(qnd)測定の実現は、フォトニック量子情報処理(qip)に重要な意味を持ち、例えば離散変数アーキテクチャにおける決定論的量子計算を可能にするが、強結合の必要性はスケーラブルな実装の開発を妨げている。
本研究では,2次的(すなわち$\chi^{(2)}$)非線形相互作用を用いたPNR QNDへの非線形光学経路の提案と解析を行う。
位相整合型光パラメトリック増幅器(OPA)を駆動するコヒーレントポンプ場は,Bogoliubov励起数に応じて変位を経験することを示す。
これにより、ポンプ変位の測定は、信号Bogoliubov励起のQND測定を提供し、信号モードを励起光子数状態に投影する。
次に, 非線形オパダイナミクスを, ガウス的資源のみを用いて決定論的にgottesman-kitaev-preskill状態を生成する方法を示し, 連続変数系におけるフォールトトレラントqipに対する全最適経路を提供する。
最後に、位相ミスマッチ光パラメトリック発振器と多レベル原子キャビティqedシステムの類似性を強調することにより、これらのqndスキームをより伝統的な文脈に配置し、出力ポンプ二次の連続的な監視が、圧縮された光子数状態へのキャビティ内信号モードの条件的局在を誘導することを示す。
本研究は,超高速非ガウス量子状態工学と量子計算のための普遍的ツールとしてのopaの豊富なポテンシャルを浮き彫りにして,短期的$\chi^{(2)}$非線形ナノフォトニクスで実現可能であることを示唆する。
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