Picosecond Schrödinger cat states for ultrafast optical quantum processing

Problema
La computación cuántica óptica universal y tolerante a fallos requiere estados de recursos no gaussianos, específicamente estados de gato de Schrödinger y qubits de Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP). Aunque estos estados pueden generarse mediante protocolos con señalización (heralding), como la sustracción de fotones generalizada (GPS), la tasa de suministro de estos recursos se ha visto severamente limitada por dos factores: bajas probabilidades de señalización y operaciones restringidas a modos temporales de la escala de los nanosegundos. Las demostraciones existentes de estados no gaussianos complejos suelen depender de paquetes de ondas de escala de nanosegundos, donde la banda limitada de la fuente y del detector, el jitter temporal y el acoplamiento de modo imperfecto aumentan la pérdida efectiva. En consecuencia, la tasa de generación de estados no gaussianos de alta calidad sigue siendo insuficiente para el procesamiento de información cuántica óptica escalable y práctico. Además, las arquitecturas tolerantes a fallos (como las codificaciones de código de gato y el cultivo adaptativo para estados GKP) requieren estados de gato con amplitudes suficientemente grandes, un régimen que ha sido difícil de acceder en modos temporales ultracortos.

Metodología
Los autores demuestran la sustracción de fotones generalizada (GPS) multifotónica dentro de paquetes de ondas ópticas de picosegundos para abordar el cuello de botella del modo temporal. La plataforma experimental utiliza dos amplificadores paramétricos ópticos (OPA) de banda ancha controlados de fase de forma independiente, basados en guías de onda de niobato de litio de polarización periódica (PPLN) tipo 0, bombeados por pulsos de 772.66 nm a una tasa de repetición de 5 MHz con una duración de aproximadamente 10 ps. Estos OPA generan estados de vacío comprimido (squeezed-vacuum) a 1545.32 nm.

Los dos modos comprimidos se interfieren en un divisor de haz variable. Un brazo de salida se somete a un filtrado espectral y es detectado por un sensor de transición de borde (TES) de Ti–Au de alta velocidad capaz de detección de número de fotones (PNRD). Esta detección señala la generación de un estado no gaussiano en el otro brazo. La condición de señalización se establece para la detección de $n$ fotones, donde $n \ge 2$. El estado generado se caracteriza mediante detección de homodina balanceada pulsada, donde los pulsos del oscilador local (LO) se dan forma para coincidir con el modo temporal de 10 ps de la señal. El sistema logra solapamientos de modo temporal y espacial superiores al 90% y 98%, respectivamente. La tomografía de estado cuántico se realiza sobre más de $10^8$ muestras de homodina a través de 12 configuraciones de cuadratura, con matrices de densidad reconstruidas mediante estimación de máxima verosimilitud sin corrección de pérdida.

Contribuciones Clave

• Escalamiento del Modo Temporal: El trabajo extiende la GPS desde los convencionales paquetes de ondas de escala de nanosegundos a modos temporales de picosegundos ($\sim$10 ps), lo que representa una reducción de aproximadamente dos órdenes de magnitud en la anchura temporal en comparación con las demostraciones recientes de GKP integrados.
• Plataforma de Alta Tasa: Al integrar compresión de banda ancha, detección TES de alta velocidad y detección de homodina de modo de picosegundos, los autores establecen una plataforma compatible con arquitecturas fotónicas multiplexadas en el tiempo y de alta tasa de repetición.
• Generación de Gran Amplitud: El protocolo genera con éxito estados de gato señalizados multifotónicos con amplitudes efectivas que se aproximan al régimen de relevancia práctica para codificaciones bosónicas tolerantes a fallos.

Resultos
El experimento señaló con éxito estados de gato de Schrödinger para eventos de detección de fotones de $n=2, 3,$ y $4$.

• Caracterización del Estado: Las funciones Wigner reconstruidas exhiben negatividad clara sin corrección de pérdida. Para $n=4$, la función Wigner muestra hasta cuatro regiones negativas distintas.
• Fidelidad: Los estados reconstruidos experimentalmente muestran una alta fidelidad ($F > 0.99$) con simulaciones numéricas basadas en parámetros de compresión y pérdida calibrados independientemente.
• Amplitud Efectiva: La amplitud efectiva del estado de gato ($\alpha_{\text{eff}}$), extraída directamente de las marginales de cuadratura no corregidas, alcanza $\alpha_{\text{eff}} = 1.69$ para el caso de $n=4$. Al corregir únicamente por la eficiencia de homodina del 80%, la amplitud es $\alpha_{\text{in}} = 1.88$.
• Comparación con los Requisitos: La amplitud alcanzada de $\alpha_{\text{eff}} = 1.69$ se encuentra dentro de aproximadamente un 5% del requisito teórico ($\alpha \approx 1.77$) para generar una red de cinco picos adecuada para el cultivo adaptativo hacia la generación de estados GKP. También entra en el régimen de relevancia práctica para arquitecturas de código de gato, donde las amplitudes grandes suprimen los errores de inversión de bit (bit-flip) exponencialmente.

Significancia
El artículo afirma establecer la capacidad experimental faltante para la generación de estados no gaussianos de alta tasa. Al operar en modos temporales de picosegundos, la plataforma aborda el cuello de botella de la tasa de repetición que ha limitado el suministro de recursos no gaussianos. Los resultados demuestran que la GPS multifotónica puede producir estados con grandes amplitudes efectivas y clara negatividad de Wigner en modos temporales ultracortos, proporcionando una base necesaria para los protocolos de cultivo adaptativo y el procesamiento de información cuántica óptica multiplexado en el tiempo. Los autores señalan que, si bien la tasa de repetición actual está limitada por el jitter de tiempo del TES y el ancho de banda del receptor de homodina, el marco conceptual permite el escalamiento futuro hacia regímenes de cientos de megahertz o gigahertz con detectores y técnicas de amplificación mejorados.