Generation of Large Coherent-State Superpositions in Free-Space Optical Pulses

Sintesi Tecnica: Generazione di Grandi Sovrapposizioni di Stati Coerenti in Impulsi Ottici in Spazio Libero

Problema e Contesto
La generazione di stati quantistici non gaussiani è un requisito fondamentale per l'elaborazione dell'informazione quantistica a variabili continue (CV) universale. Sebbene le piattaforme fotoniche offrano vantoli quali l'operatività a temperatura ambiente e la modularità, per sbloccare pienamente il loro potenziale per il calcolo quantistico tollerante ai guasti è necessaria la codifica di qubit in stati di Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP). Questi stati consentono il calcolo universale utilizzando solo operazioni gaussiane. Sebbene siano stati fatti progressi recenti nella generazione on-chip e nella produzione in spazio libero di stati non gaussiani sempre più complessi (come gli stati cat squeezed), rimaneva un divario significativo nell'ampiezza delle sovrapposizioni di stati coerenti (CSS) generate in impulsi ottici in spazio libero. Esperimenti precedenti in spazio libero non avevano superato un'ampiezza di $\alpha \approx 1.9$.

Metodologia
Gli autori riportano un protocollo sperimentale per la generazione di sovrapposizioni di stati coerenti squeezed (SCSS) ad alta ampiezza, noti anche come stati cat squeezed, utilizzando impulsi ottici in spazio libero. Il nucleo del protocollo consiste nel mixing controllato di stati di Fock $|1\rangle$ e $|2\rangle$ su un beam splitter sintonizzabile, seguito da un heralding tramite rilevamento omodino.

L'apparato sperimentale utilizza un laser Ti:Sapphire a femtosecondi (850 nm, 76 MHz) per pilotare un processo non lineare a due stadi:

1. Generazione della Risorsa: Un fascio di pompa blu (425 nm) pilota un amplificatore parametrico ottico (OPA) per generare uno stato di vuoto squeezed a due modi (TMSV).
2. Heralding: Un modo del TMSV viene filtrato e rilevato da fotodiodi avalanche (APD) che segnalano (herald) uno stato di Fock a singolo fotone ($|1\rangle$) con un singolo click, mentre click simultanei segnalano uno stato di Fock a due fotoni ($|2\rangle$).
3. Cavità di Memoria Quantistica (QMC): L'altro modo del TMSV è diretto in una cavità ottica a basse perdite. Uno stato di singolo fotone heralded viene memorizzato nella QMC mentre il sistema attende l'heralding di uno stato a due fotoni.
4. Mixing Controllato: I stati $|1\rangle$ memorizzati e il $|2\rangle$ in arrivo (che trasportano polarizzazioni ortogonali) vengono miscelati usando una cella di Pockels (PC) e un beam splitter polarizzatore (PBS). Questo assemblaggio agisce come un beam splitter sintonizzabile con riflettività $R$ controllata dalla ritardanza $\delta$ indotta dalla PC.
5. Misura di Heralding: Un rivelatore omodino (efficienza del 76%) esegue una misura su una porta di uscita e lo stato è post-selezionato in base a un risultato di misura $X=0$ (dove $\hat{X} = (\hat{a} + \hat{a}^\dagger)/\sqrt{2}$).

Per accomodare i limiti di larghezza di banda del rivelatore omodino (2 MHz) rispetto al tasso di ripetizione del laser (76 MHz), lo stato generato viene memorizzato nella QMC per circa 195 ns (15 giri) prima dell'estrazione e della caratterizzazione. La tomografia dello stato quantistico (QST) viene eseguita utilizzando un algoritmo di massima verosimiglianza su un dataset di 16.339 misure di quadratura.

Contributi Chiave e Risultati
Il contributo primario di questo lavoro è la generazione sperimentale di sovrapposizioni di stati coerenti in spazio libero con un'ampiezza di $\alpha = 2.47$, che gli autori dichiarano superi tutti i valori precedentemente riportati per sistemi in spazio libero.

• Caratterizzazione dello Stato: La funzione di Wigner ricostruita dello stato generato mostra tre regioni negative ben risolte, un segno di forte non-gaussianità.
• Fideltà: Lo stato generato sperimentalmente raggiunge una fedeltà di $F = 0.53^{+0.01}_{-0.06}$ con lo stato cat squeezed target definito come $\hat{S}(z)(|\alpha\rangle - |-\alpha\rangle)$, con $\alpha = 2.47$ e parametro di squeezing $z = 0.56$ (corrispondente a 4.82 dB di squeezing).
• Ottimizzazione: La modellazione teorica ha indicato che la riflettività ottimale del beam splitter per massimizzare la fedeltà sotto condizioni realistiche di perdita è $R \approx 0.72$. L'esperimento ha utilizzato una ritardanza della PC di $\delta \approx 2.03$ rad per raggiungere questa condizione.
• Tasso di Generazione: Il tasso di generazione per lo stato cat dispari ad alta ampiezza è di circa 3.1 Hz. Gli autori osservano che aumentare il tempo di memoria del primo fotone consente tassi più elevati (ad esempio, 4.25 Hz) a scapito della fedeltà dello stato dovuta alle perdite di memoria.
• Stati Cat Pari: Il protocollo produce anche stati cat pari quando viene segnalato uno stato a singolo fotone invece di uno a due fotoni, raggiungendo una fedeltà di $\sim 0.58$ con uno stato cat pari di $\alpha = 1.71$ a un tasso di $\sim 1$ kHz.

Significatività
Gli autori pongono questo risultato come una pietra miliare significativa per i "protocolli di breeding temporale". Dimostrando la generazione di SCSS ad alta ampiezza in un'architettura in spazio libero con capacità di multiplexing temporale, il lavoro pone le basi per la generazione iterativa di stati GKP ottici. La riuscita implementazione dei componenti necessari per un protocollo di breeding a due fasi di grandi SCSS è presentata come un passo verso architetture quantistiche fotoniche scalabili e tolleranti ai guasti. Il lavoro conclude che, sebbene miglioramenti tecnici (come la sostituzione degli APD con rilevatori a nanofili superconduttori e l'implementazione dell'analisi in tempo reale) potrebbero ulteriormente migliorare le prestazioni, la dimostrazione attuale valida la fattibilità della generazione di stati non gaussiani ad alta complessità richiesti per l'elaborazione avanzata dell'informazione quantistica.