論文の概要: High-Rate Four Photon Subtraction from Squeezed Vacuum: Preparing Cat State for Optical Quantum Computation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.08952v1
- Date: Thu, 13 Feb 2025 04:22:22 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-14 13:44:31.382238
- Title: High-Rate Four Photon Subtraction from Squeezed Vacuum: Preparing Cat State for Optical Quantum Computation
- Title（参考訳）: スクイーズ真空からの高速4光子サブトラクション:光量子計算のための猫状態の準備
- Authors: Mamoru Endo, Takefumi Nomura, Tatsuki Sonoyama, Kazuma Takahashi, Sachiko Takasu, Daiji Fukuda, Takahiro Kashiwazaki, Asuka Inoue, Takeshi Umeki, Rajveer Nehra, Petr Marek, Radim Filip, Kan Takase, Warit Asavanant, Akira Furusawa,
- Abstract要約: Gottesman-Kitaev-Preskillコードは論理量子ビットの主要な候補である。
生成には大振幅コヒーレントな状態重畳 -- Schr"odinger cat state が必要である。
光子サブトラクション法は多光子演算へのスケーリングが困難であることが証明されている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.39757126008428656
- License:
- Abstract: Generating logical qubits, essential for error detection and correction in quantum computation, remains a critical challenge in continuous-variable (CV) optical quantum information processing. The Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) code is a leading candidate for logical qubits, and its generation requires large-amplitude coherent state superpositions -- Schr\"{o}dinger cat states. However, experimentally producing these resource states has been hindered in the optical domain by technical challenges. The photon subtraction method, a standard approach for generating cat states using a squeezed vacuum and a photon number-resolving detector, has proven difficult to scale to multi-photon operations. While the amplitude of the generated cat states increases with the number of subtracted photons, limitations in the generation rate have restricted the maximum photon subtraction to $n=3$ for over a decade. In this work, we demonstrate high-rate photon subtraction of up to four photons from a squeezed vacuum with picosecond wavepackets generated by a broadband optical parametric amplifier. Using a Ti-Au superconducting-transition-edge sensor, we achieve high-speed, high-resolution photon number discrimination. The resulting states exhibit Wigner function negativity without loss correction, and their quantum coherence is verified through off-diagonal density matrix elements in CV representation. These results overcome long-standing limitations in multi-photon operations, providing a critical foundation for generating quantum resources essential for fault-tolerant quantum computing and advancing ultrafast optical quantum processors.
- Abstract（参考訳）: 量子計算における誤り検出と修正に不可欠な論理量子ビットの生成は、連続可変(CV)光量子情報処理において重要な課題である。
Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) コードは論理量子ビットの主要な候補であり、その生成には大振幅コヒーレントな状態重畳 -- Schr\"{o}dinger cat stateが必要である。
しかし、これらの資源状態を実験的に生成することは、技術的課題によって光学領域において妨げられている。
光子減算法は, 減圧真空と光子数分解検出器を用いて猫の状態を生成する標準的な手法であり, 多光子操作へのスケールが困難であることが証明された。
生成した猫状態の振幅は減算された光子の数とともに増加するが、生成速度の制限により最大光子の減算は10年以上にわたって$n=3$に制限されている。
本研究では、ブロードバンド光パラメトリック増幅器によって生成されるピコ秒ウェーブパレットを用いて、圧縮真空から最大4光子の高速光子サブトラクションを実証する。
また,Ti-Au超伝導遷移エッジセンサを用いて高速・高分解能光子数判別を行う。
得られた状態は損失補正なしでウィグナー関数の負性を示し、その量子コヒーレンスはCV表現の対角線外密度行列要素によって検証される。
これらの結果は、多光子演算における長年の制限を克服し、フォールトトレラント量子コンピューティングや超高速光量子プロセッサに不可欠な量子資源を生成するための重要な基盤となる。
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