論文の概要: A paradigm for universal quantum information processing with integrated acousto-optic frequency beamsplitters

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.06752v1
• Date: Sun, 11 Jan 2026 02:38:35 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-13 19:08:00.96575
• Title: A paradigm for universal quantum information processing with integrated acousto-optic frequency beamsplitters
• Title（参考訳）: 集積音響-光周波数ビームスプリッタを用いた普遍量子情報処理のパラダイム
• Authors: Joseph M. Lukens, John H. Dallyn, Hsuan-Hao Lu, Noah I. Wasserbeck, Austin J. Graf, Michael Gehl, Paul S. Davids, Nils T. Otterstrom,
• Abstract要約: 我々は、普遍周波数ビン量子情報処理の新しいパラダイムを提案し、定式化し、計算的に評価する。 モード間プロセスにおける制御可能な位相マッチングにより、2$times$2の周波数ビームスプリッタと横モード依存位相シフタが実現可能であることを示す。 我々のアプローチはCMOS技術で実現可能であり、周波数領域におけるスケーラブルなオンチップ量子情報処理への扉を開く。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.47218516042753683
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Frequency-bin encoding offers tremendous potential in quantum photonic information processing, in which a single waveguide can support hundreds of lightpaths in a naturally phase-stable fashion. This stability, however, comes at a cost: arbitrary unitary operations can be realized by cascaded electro-optic phase modulators and pulse shapers, but require nontrivial numerical optimization for design and have thus far been limited to discrete tabletop components. In this article, we propose, formalize, and computationally evaluate a new paradigm for universal frequency-bin quantum information processing using acousto-optic scattering processes between distinct transverse modes. We show that controllable phase matching in intermodal processes enables 2$\times$2 frequency beamsplitters and transverse-mode-dependent phase shifters, which together comprise cascadable FRequency-transverse-mODe Operations (FRODOs) that can synthesize any unitary via analytical decomposition procedures. Modeling the performance of both random gates and discrete Fourier transforms, we demonstrate the feasibility of high-fidelity quantum operations with existing integrated photonics technology, highlighting prospects of parallelizable operations achieving 100\% bandwidth utilization. Our approach is realizable with CMOS technology, opening the door to scalable on-chip quantum information processing in the frequency domain.
• Abstract（参考訳）: 周波数ビン符号化は、単一導波路が自然に位相安定な方法で数百個の光パスを支持できる量子フォトニック情報処理において、大きな可能性を秘めている。 任意のユニタリ演算はカスケード型電気光学位相変調器とパルス整形器で実現できるが、設計には非自明な数値最適化が必要であり、これまでは離散テーブルトップコンポーネントに限られていた。 本稿では,異なる横モード間の音響・光散乱プロセスを用いて,普遍周波数ビン量子情報処理の新しいパラダイムを提案し,定式化し,計算的に評価する。 解析的分解処理によって任意のユニタリを合成可能なFRequency-transverse-mODe Operations (FRODOs) を併用して構成した2$\times$2の周波数ビームスプリッタと横モード依存位相シフタを実現する。 ランダムゲートと離散フーリエ変換の両方の性能をモデル化し、既存の集積フォトニクス技術による高忠実な量子演算の実現可能性を示し、100倍の帯域利用を実現する並列化可能な演算の可能性を強調した。 我々のアプローチはCMOS技術で実現可能であり、周波数領域におけるスケーラブルなオンチップ量子情報処理への扉を開く。

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