論文の概要: Heralded High-Dimensional Photon-Photon Quantum Gate

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.16356v1
• Date: Tue, 23 Jul 2024 10:00:12 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-07-24 17:45:51.868483
• Title: Heralded High-Dimensional Photon-Photon Quantum Gate
• Title（参考訳）: 高次元光子-光子量子ゲート
• Authors: Zhi-Feng Liu, Zhi-Cheng Ren, Pei Wan, Wen-Zheng Zhu, Zi-Mo Cheng, Jing Wang, Yu-Peng Shi, Han-Bing Xi, Marcus Huber, Nicolai Friis, Xiaoqin Gao, Xi-Lin Wang, Hui-Tian Wang,
• Abstract要約: 2つの個々の光子間の量子ゲートを実現するための大きな障害は、線形媒体における光子間の直接相互作用の制限である。 任意の次元の2つのフォトニック量子ビットに対して、制御位相フリップ(CPF)ゲートのエンタングルゲートを実現するためのプロトコルを提案する。 我々は,少なくとも13個の2量子エンタングゲートを必要とする4次元のqudit-qudit CPFゲートを実現することにより,このプロトコルを実験的に実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.602787223342753
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: High-dimensional encoding of quantum information holds the potential to greatly increase the computational power of existing devices by enlarging the accessible state space for fixed register size and by reducing the number of required entangling gates. However, qudit-based quantum computation remains far less developed than conventional qubit-based approaches, in particular for photons, which represent natural multi-level information carriers that play a crucial role in the development of quantum networks. A major obstacle for realizing quantum gates between two individual photons is the restriction of direct interaction between photons in linear media. In particular, essential logic components for quantum operations such as native qudit-qudit entangling gates are still missing for optical quantum information processing. Here we address this challenge by presenting a protocol for realizing an entangling gate -- the controlled phase-flip (CPF) gate -- for two photonic qudits in arbitrary dimension. We experimentally demonstrate this protocol by realizing a four-dimensional qudit-qudit CPF gate, whose decomposition would require at least 13 two-qubit entangling gates. Our photonic qudits are encoded in orbital angular momentum (OAM) and we have developed a new active high-precision phase-locking technology to construct a high-dimensional OAM beam splitter that increases the stability of the CPF gate, resulting in a process fidelity within a range of $ [0.64 \pm 0.01, 0.82 \pm 0.01]$. Our experiment represents a significant advance for high-dimensional optical quantum information processing and has the potential for wider applications beyond optical system.
• Abstract（参考訳）: 量子情報の高次元符号化は、固定レジスタサイズのアクセス可能な状態空間を拡大し、必要なエンタングゲートの数を減らすことで、既存の装置の計算能力を大幅に向上させる可能性を秘めている。 しかし、Quditベースの量子計算は、従来の量子ビットベースのアプローチ、特に量子ネットワークの発展において重要な役割を果たす自然なマルチレベル情報キャリアを表す光子よりも、はるかに発展していない。 2つの個々の光子間の量子ゲートを実現するための大きな障害は、線形媒体における光子間の直接相互作用の制限である。 特に、ネイティブなqudit-quditエンタングゲートのような量子演算に必要なロジックコンポーネントは、光学量子情報処理にはまだ欠けている。 ここでは、任意の次元の2つのフォトニックキューディットに対してエンタングゲート(制御位相フリップ(CPF)ゲート)を実現するためのプロトコルを提示することで、この問題に対処する。 我々は,少なくとも13個の2量子エンタングゲートを必要とする4次元のqudit-qudit CPFゲートを実現することにより,このプロトコルを実験的に実証した。 我々は軌道角運動量 (OAM) を符号化し, CPFゲートの安定性を向上する高次元OAMビームスプリッタを構築するための新しい能動位相同期技術を開発し, プロセス忠実度を[0.64 \pm 0.01, 0.82 \pm 0.01]$に設定した。 我々の実験は、高次元光量子情報処理の大きな進歩を示し、光学系以外の幅広い応用の可能性を持っている。

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