光物理学：チップ上でのエンタングルした高次元量子状態生成とコヒーレント制御

エンタングルした光子に基づく光の量子状態は、基礎物理学の問題解決に必須であり、量子情報科学の中心となっている。特に、高次元状態（D > 2のDレベル量子状態、いわゆるキューディット）の実現と制御は、量子力学の基礎研究、量子画像化での感度向上、量子通信プロトコルのロバスト性と鍵レート向上、より多様性に富んだ量子シミュレーションの実現、効率と誤り耐性がより高い量子計算の実現に向けて必要不可欠である。近年、フォトニック集積デバイスは、非古典的な光の量子状態を、高い費用効率でコンパクトかつ安定的に生成し処理するための主要なプラットフォームになっている。しかし、エンタングルした集積量子光源は今のところ、キュービット（D = 2）に限られている。今回我々は、チップ上でのエンタングルしたキューディット状態の生成を実証する。ここで、光子は複数の高純度周波数モードのコヒーレント重ね合わせ状態として生成される。特に、我々は、D = 10のエンタングルしたキューディット2つによって生成した、少なくとも100次元の量子系の実現を確認した。さらに我々は、最先端かつ既製の光通信部品を用いて、周波数エンタングルした状態を制御するための決定論的高次元ゲート操作が可能なコヒーレント操作プラットフォームを導入した。我々は、ベル不等式の破れを測定し、量子状態トモグラフィーを行うことによって、このプラットフォームの妥当性を確認した。今回の研究によって、単一空間モードにおける高次元量子状態の生成と処理が可能になった。

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