Experimentální implementace komplexních multiqubitových lineárně optických kvantových hradel a jejich aplikace

Mgr. Robert STÁREK

Doctoral thesis

Experimental implementation of complex multiqubit quantum logic gates on platform of linear optics and their applications.

Abstract:

This thesis presents the realization, characterization, and application of three linear-optical probabilistic quantum logic gates. The presented quantum gates are controlled-Z with three control qubits, controlled-phase with three control qubits, and quantum Fredkin gate. The construction of these gates relies on two-photon interference and encoding multiple qubits into a single photon. Thanks to their design, the realized gates have a higher success rate than their equivalents constructed straightforwardly from multiple linear-optical two-qubit gates. The relatively high success probability allows us a thorough characterization of the realized gates and demonstrations of their capabilities in various quantum information protocols. Namely, the thesis presents the experimental implementation of protocols for protecting qubits from dephasing and decoherence, protocols for direct non-destructive measurement of non-linear functionals of a density matrix, qubit purification, and approximate quantum cloning. We also study back-action of such direct non-destructive measurement. The described experiments utilize single-photon generation, two-photon interference and coincidence measurements, inherently stable interferometers, path and polarization qubit encoding, and tomography of quantum states and channels. The corresponding chapter discusses these methods together with relevant experimental imperfections and practical aspects of the experiment.

Abstract:

Tato práce se zabývá realizací, charakterizací a využitím nedeterministických, lineárně optických logických kvantových hradel. Jedná se o tzv. CZ hradlo kontrolované třemi kvantovými bity (qubity), fázové hradlo kontrolované dvěma qubity a Fredkinovo kvantové hradlo. Hradla byla realizována pomocí dvoufotonové interference, koincidenčních měření a využití více stupňů volnosti jednoho fotonu pro zakódování qubitů. Díky této konstrukci mají hradla vyšší pravděpodobnost úspěchu nežli jejich realizace přímočarým spojením více lineárně-optických hradel. Díky tomu můžeme provést jejich důkladnou experimentální charakterizaci a používat je pro demonstraci různých kvantově informačních protokolů a schémat. V práci jsou uvedeny experimentální realizace dvou protokolů na ochranu qubitu před dekoherencí, protokolu pro přímé nedestruktivní měření nelineárních funkcionálů matice hustoty kvantového stavu, dále tzv. purifikace a klonování kvantových stavů. V případě přímého měření nelineárních funkcionálů diskutujeme i vliv tohoto měření na měřený systém. Popsané experimenty využívají generování jednotlivých fotonů, dvoufotonovou interferenci, koincidenční měření, inherentně stabilní interferometry, kódování qubitu do polarizace a dráhy fotonů and tomografii kvantových stavů a procesů. Práce popisuje tyto použité experimentální metody spolu se souvisejícími nedokonalostmi a dalšími praktickými aspekty experimentu.

Keywords

qubit, quantum gate, CZ, Fredkin, controlled-phase, photon, optics, decoherence

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 2. 2022

Thesis defence

• Supervisor: prof. Mgr. Jaromír Fiurášek, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics