Квантовый вентиль CNOT на пространственных фотонных кубитах с резонансным электрооптическим контролем

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена теоретическая модель квантового узла, который реализует двухкубитную операцию CNOT на фотонных кубитах с пространственной кодировкой. Каждый из кубитов представлен парой мод, поддерживающих произвольную суперпозицию однофотонных состояний. Активным элементом узла служит одиночная или двойная квантовая точка с настраиваемой частотой, когерентно обменивающаяся квантом энергии с модами. Проведено моделирование спектральных характеристик элементов квантового узла. Рассчитана вероятность выполнения контролируемой инверсии состояния кубита в зависимости от параметров системы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Цуканов

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: tsukanov@ftian.ru
Россия, Москва

И. Ю. Катеев

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук

Email: ikateyev@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Dietrich C.P., Fiore A., Thompson M.G., Kamp M., and Höfling S. GaAs integrated quantum photonics: Towards compact and multi-functional quantum photonic integrated circuits // Las. Photon. Rev. 2016. V. 10. P. 870.
  2. Ramakrishnan R.K., Ravichandran A.B., Mishra A., Kaushalram A., Hegde G., Talabattula S., Rohde P.P. Integrated photonic platforms for quantum technology: A review // ISSS Journal of Micro and Smart Systems. 2023. V. 12. P. 83.
  3. Adcock J.C., Bao J., Chi Y., Chen X., Bacco D., Gong Q., Oxenløwe L.K., Wang J., Ding Y. Advances in silicon quantum photonics // IEEE Journal of Selected Topics Of Quantum Electronics. 2021. V. 27. P. 1.
  4. Wan N.H., Lu T.-J., Chen K.C., Walsh M.P., Trusheim M.E., De Santis L., Bersin E.A., Harris I.B., Mouradian S.L., Christen I.R., Bielejec E.S., Englund D. Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits // Nature. 2020. V. 583. P. 226.
  5. Atatüre M., Englund D., Vamivakas N., Lee S.-Y., Wrachtrup J. Material platforms for spin- based photonic quantum technologies // Nat. Rev. Mat. 2018. V. 3. P. 38.
  6. Ruf M., Wan N.H., Choi H., Englund D., Hanson R. Quantum networks based on color centers in diamond // Journ. Appl. Phys. 2021. V. 130. P. 070901.
  7. Elshaari A.W., Pernice W., Srinivasan K., Benson O., Zwiller V. Hybrid integrated quantum photonic circuits // Nat. Photon. 2020. V. 14. P. 285.
  8. Davanco M., Liu J., Sapienza L., Zhang C.-Z., Cardoso J.V.M., Verma V., Mirin R., Nam S.W., Liu L., Srinivasan K. Heterogeneous integration for on-chip quantum photonic circuits with single quantum dot devices // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 889.
  9. Jiang P., Balram K.C. Suspended gallium arsenide platform for building large scale photonic integrated circuits: passive devices // Opt. Expr. 2020. V. 28. P. 12262.
  10. Blumenthal D.J., Ieee F., Heideman R., Geuzebroek D., Leinse A., Roeloffzen C. Silicon nitride in silicon photonics // Proc. IEEE. 2018. V. 106. P. 2209.
  11. Chanana A., Larocque H., Moreira R., Carolan J., Guha B., Melo E.G., Anant V., Song J., Englund D., Blumenthal D.J., Srinivasan K., Davanco M. Ultra-low loss quantum photonic circuits integrated with single quantum emitters // Nat. Commun. 2022. V. 13. P. 7693.
  12. Zhong H.S., Wang H., Deng Y.-H., Chen M.-C., Peng L.-C., Luo Y.-H., Qin J., Wu D., Ding X., Hu Y., Hu P., Yang X.-Y., Zhang W.-J., Li H., Li Y., Jiang X., Gan L., Yang G., You L., Wang Z., Li L., Liu N.-L., Lu C.-Y., Pan J.-W. Quantum computational advantage using photons // Science. 2020. V. 370. P. 1460.
  13. Arrazola J.M., Bergholm V., Brádler K., Bromley T.R., Collins M.J., Dhand I., Fumagalli A., Gerrits T., Goussev A., Helt L.G., Hundal J., Isacsson T., Israel R.B., Izaac J., Jahangiri S., Janik R., Killoran N., Kumar S.P., Lavoie J., Lita A.E., Mahler D.H., Menotti M., Morrison B., Nam S.W., Neuhaus L., Qi H.Y., Quesada N., Repingon A., Sabapathy K.K., Schuld M., D. Su, Swinarton J., Száva A., Tan K., Tan P., Vaidya V.D., Vernon Z., Zabaneh Z., Zhang Y. Quantum circuits with many photons on a programmable nanophotonic chip // Nature. 2021. V. 591. P. 54.
  14. Qiang X., Zhou X., Wang J., Wilkes C.M., Loke T., O’Gara S., Kling L., Marshall G.D., Santagati R., Ralph T.C., Wang J.B., O’Brien J.L., Thompson M.G., Matthews J.C.F. Large-scale silicon quantum photonics implementing arbitrary two-qubit processing // Nat. Photon. 2018. V. 12. P. 534.
  15. Wang M., Yan F. Generation of four-photon polarization entangled state based on Einstein-Podolsky-Rosen entanglers // Eur. Phys. J. D. 2014. V. 68. P. 29.
  16. Milburn G.J. Quantum optical Fredkin gate // Phys. Rev. Lett. 1989. V. 62. P. 2124.
  17. Kok P., Munro W.J., Nemoto K., Ralph T.C., Dowling J.P., Milburn G.J. Linear optical quantum computing with photonic qubits // Rev. Mod. Phys. 2007. V. 79. P. 135.
  18. O’Brien J.L. Optical quantum computing // Science. 2007. V. 318. P. 1567.
  19. Knill E., Laflamme R., Milburn G.J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics // Nature. 2001. V. 409. P. 46.
  20. Laing A., Peruzzo A., Politi A., Verde M.R., Halder M., Ralph T.C., Thompson M.G., O’Brien J.L. High-fidelity operation of quantum photonic circuits // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. P. 211109.
  21. Pooley M.A., Ellis D.J.P., Patel R.B., Bennett A.J., Chan K.H.A., Farrer I., Ritchie D.A., Shields A.J. Controlled-NOT gate operating with single photons // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. P. 211103.
  22. Lee J.-M., Lee W.-J., Kim M.-S., Cho S.W., Ju J.J., Navickaite G., Fernandez J. Controlled-NOT operation of SiN-photonic circuit using photon pairs from silicon-photonic circuit // Opt. Commun. 2022. V. 509. P. 127863.
  23. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть I. // Микроэлектроника. 2014. Т. 43. С. 323.
  24. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть II. // Микроэлектроника. 2014. Т. 43. С. 403.
  25. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть III. // Микроэлектроника. 2015. Т. 44. С. 79.
  26. Yeh C., Shimabukuro F.I. The essence of dielectric waveguides. Springer, 2008. 522 p.
  27. Prorok S., Petrov A., Eich M., Luo J., Jen A.K.-Y. Configurable silicon photonic crystal waveguides // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. P. 261112.
  28. Yariv A., Xu Y., Lee R.K., Scherer A. Coupled-resonator optical waveguide: a proposal and analysis // Opt. Lett. 1999. V. 24. P. 711.
  29. Baba T., Kawasaki T., Sasaki H., Adachi J., Mori D. Large delay-bandwidth product and tuning of slow light pulse in photonic crystal coupled waveguide // Opt. Expr. 2008. V. 16. P. 9245.
  30. Kondo K., Shinkawa M., Hamachi Y., Saito Y., Arita Y., Baba T. Ultrafast slow-light tuning beyond the carrier lifetime using photonic crystal waveguides // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. P. 053902.
  31. Debnath K., Welna K., Ferrera M., Deasy K., Lidzey D.G., O’Faolain L. Highly efficient optical filter based on vertically coupled photonic crystal cavity and bus waveguide // Opt. Lett. 2013. V. 38. P. 154.
  32. Zang X., Zhou T., Cai B., Zhu Y. Single-photon transport properties in an optical waveguide coupled with a Λ-type three-level atom // J. Opt. Soc. Am. B. 2013. V. 30. P. 1135.
  33. Cerf N.J., Adami C., Kwiat P.G. Optical simulation of quantum logic // Phys. Rev. A. 1998. V. 57. P. R1477.
  34. Reck M., Zeilinger A. Experimental realization of any discrete unitary operator // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 58.
  35. Chuang I.L., Yamamoto Y. A simple quantum computer // Phys. Rev. A. 1995. V. 52. P. 3486.
  36. Johne R., Fiore A. Proposal for a two-qubit quantum phase gate for quantum photonic integrated circuits // Phys. Rev. A. 2012. V. 86. P. 063815.
  37. Chang J.-T., Zubairy M.S. Three-qubit phase gate based on cavity quantum electrodynamics // Phys. Rev. A. 2008. V. 77. P. 012389.
  38. Shu J., Zou X.-B., Xiao Y.-F., Guo G.-C. Quantum phase gate of photonic qubits in a cavity QED system // Phys. Rev. A. 2007. V. 75. P. 044302.
  39. Головинский П.А. Влияние эффекта Штарка на резонансный перенос возбуждения между квантовыми точками // ФТП. 2014. Т. 48. С. 781.
  40. Цуканов А.В. Принцип измерения электронной населенности квантовой точки с помощью однофотонного транзистора на основе массива квантовых точек // Квант. электроника. 2021. Т. 51. № 8. С. 718–726.
  41. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Взаимодействие массива одноэлектронных квантовых точек с полем микрорезонатора с учетом кулоновских корреляций // Квантовая электроника. 2022. Т. 52. № 5 С. 474–481
  42. Tsukanov A.V., Kateev I. Yu. Optical measurement of a quantum dot state in a microdisk by a Stark transducer // Laser Phys. Lett. 2022. V. 19. P. 086201
  43. Bayindir M., Temelkuran B., Ozbay E. Tight-binding description of the coupled defect modes in three-dimensional photonic crystals // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. P. 2140.
  44. Guha B., Marsault F., Cadiz F., Morgenroth L., Ulin V., Berkovitz V., Lemaître A., Gomez C., Amo A., Combrié S., Gérard B., Leo G., Favero I. Surface-enhanced gallium arsenide photonic resonator with quality factor of 6 × 106 // Optica. 2017. V. 4. P. 218.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема квантового узла, который реализует двухкубитную операцию CNOT на фотонных кубитах. Контролирующий (контролируемый) кубит представлен двумя волноводами, каждый из которых поддерживает одну моду с x(y) поляризацией. Их энергии взаимодействия J0, x(y) предполагаются малыми. Квантовые точки КТ А и КТ В расположены в пучностях мод Ex(y),1 и Ex(y),2 микрорезонаторов МР 1 и МР 2. Оба МР обмениваются фотонами друг с другом, волноводами контролируемого кубита и волноводом контролирующего кубита со скоростями J, Jy и Jx, соответственно. Электронные переходы между состояниями g и px(y) в каждой из КТ косвенно связаны с соответствующими модами волноводов через МР. Прямой обмен энергией между КТ происходит под влиянием взаимодействия Ферстера со скоростью ΩF

Скачать (273KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Графики зависимостей заселенностей базисных состояний от времени для схемы непрямого переноса фотона между волноводами контролируемого кубита через КТ А. Учитывается нежелательный эффект прямого фотонного туннелирования с малыми (а) и промежуточными (б) скоростями J. Все параметры даны в единицах частоты оптического перехода в КТ

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Графики зависимостей заселенностей базисных состояний от времени для схемы непрямого переноса фотона между волноводами через КТ А с учетом малых (а) и больших (б) отстроек частот подсистем. Предполагается слабая прямая туннельная связь между однофотонными состояниями мод. Все параметры даны в единицах частоты оптического перехода в КТ

Скачать (948KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Графики зависимостей заселенностей базисных состояний от времени для схемы непрямого переноса фотона между волноводами через ДКТ в резонансном (а) и нерезонансном (б) режимах. Предполагается сильная ферстеровская связь между одноэлектронными состояниями КТ. Все параметры даны в единицах частоты оптического перехода в КТ

Скачать (760KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Графики двумерного распределения электрического поля двух волноводов толщиной h = 1.77 мкм и шириной b = 1.7 мкм при L = 9.5 мкм (вверху) и b = 3 мкм при L = 8.5 мкм (внизу) для нечетной (слева) и четной (справа) х-мод. Горизонтальными линиями обозначены границы волноводов

Скачать (1MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Графики зависимостей коэффициента J оптического взаимодействия двух волноводов толщиной h = 1.77 мкм от расстояния L между ними при различных значениях ширины b для x-моды (а) и y-моды (б)

Скачать (231KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Графики двумерного распределения электрического поля x-моды системы, состоящей из микродиска с радиусом R и волновода с шириной b. Волновод находится на расстоянии d от микродиска. Вверху: R = 30 мкм, b = 3 мкм, d = 6.5 мкм, внизу: R = 27 мкм, b = 1.9 мкм, d = 8 мкм

Скачать (731KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Графики зависимостей максимального значения Еx однофотонного электрического поля для x-моды МР от расстояния d между волноводом и микродиском для тонкого волновода (а) и волновода умеренной ширины (б)

Скачать (361KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Графики зависимостей излучательной добротности микродиска для x-моды при R = 30 мкм, h = 1.77 мкм (а) и для y-моды при R = 27 мкм, h = 1.89 мкм (б) от расстояния d между волноводом и микродиском при различных значениях ширины волновода b

Скачать (270KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024