Kvantové CZ hradlo se slabou vazbou

Bc. Robert STÁREK

Master's thesis

Quantum CZ gate with weak coupling

Abstract:

Navrhli jsme a pomocí lineární kvantové optiky experimentálně ověřili metodu podmíněné implementace kvantového maximálně entanglujícího control-Z hradla, operujícího na libovolně slabě vázaných kvantových bitech. Naše metoda je založena na obcházení interakce slabě vázaných kvantových bitů pomocí koherentního navázání a následného vyvázání jednoho kvantového bitu do pomocného módu. Po interakci je pomocný mód promítnut zpět do podprostoru původního kvantového bitu. Takto je dosaženo zesílení interakce mezi slabě vázanými kvantovými bity, přestože vazba do pomocného módu je lokální operací. Experiment využívá časově korelované páry fotonů, které jsou generované pomocí spontánní parametrické sestupné frekvenční konverze. Pro kódování jednotlivých kvantových bitů se využívá prostorových a polarizačních módů fotonů. Slabá vazba mezi fotony, která běžně neumožňuje vytvoření control-Z hradla, je zprostředkována pomocí děliče svazku. Metoda je charakterizována svojí účinností a pomocí měření Hofmannovy dolní meze fidelity procesu pro různé síly vazby do pomocného módu. V optimálním režimu, kde dosahuje fidelita procesu a pravděpodobnost úspěšné operace svého maxima, je hradlo charakterizováno úplným tomografickým měřením.

Abstract:

We propose and experimentally demonstrate a scheme for conditional implementation of a maximally entangling quantum controlled-Z gate between two qubits whose coupling can be arbitrarily weak. We show that the weak inter-qubit coupling can be enhanced by quantum interference. Both before and after the inter-qubit interaction, one of the qubits is coherently coupled to an auxiliary quantum level, and finally it is projected back onto the qubit subspace. This procedure enhances the inter-qubit interaction strength although the coupling to auxiliary quantum level can be considered as a local bypass that allows the qubit to partly avoid the interaction with the other qubit. We experimentally demonstrate our scheme using a linear optical setup with weak interferometric coupling between single-photon qubits. In our experiment, we utilize time-correlated photon pairs generated in the process of spontaneous parametric downconversion and we exploit their polarization and spatial degrees of freedom to implement the quantum bypass. We characterize the performance of our scheme by measuring the Hofmann lower bound on quantum gate fidelity for various strengths of coupling to the auxiliary mode. At the optimal operating point where the fidelity and success probability are maximized we perform a full quantum process tomography of the quantum control-Z gate to prove that the control-Z process was restored.

Keywords

kvantové zpracování informace, control-Z hradlo, Hofmannova mez, Mach-Zehnderův interferometr

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 7. 2015

Accessible from:: 31. 7. 2015

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Michal Mičuda, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics