シリコンナノフォトニクスにおけるチップスケールの偏光–空間–運動量量子SWAPゲート

量子コンピューティングとネットワーキングの最近の進歩により、異なる量子モジュールを接続することで、高性能で大規模な量子プロセッサーが実現されている。光量子システムは、コンピューティングと通信の両方において優位性を示し、集積量子フォトニクスによって、スケーリングと複雑性のレベルがさらに増している。本論文では、3つのカスケードゲートを含むナノ加工2レベルシリコンフォトニクスチップ上で、光子の偏光量子ビットと空間運動量量子ビットを決定論的に交換する効率的なSWAPゲートを実証する。オンチップSWAPゲートは、1量子ビットと2量子ビットの両方の動作について、高い忠実度でトモグラフィー測定により包括的に特性評価された。SWAPゲート過程のコヒーレンスの保存は、単一光子および2光子量子干渉によって検証された。我々のSWAPゲートのコヒーレント可逆変換は、異なる自由度を持つ2つのチップスケールのフォトニックサブシステム間の量子相互接続の検討を容易にし、2つのチップ間に4つのベル状態を分散させることで実証された。また我々は、SWAP操作におけるデコヒーレンスの発生源を明らかにし、単一性に近い忠実性を追求した。シリコンプラットフォームにおける我々の決定論的SWAPゲートは、相互接続されたモジュールシステムのための統合量子情報処理への道筋を提供する。