Unitarie fantasma per la generazione di stati risorsa fotonici resilienti alle perdite

Abstract degli autori

Gli stati entangled con pochi fotoni, come gli stati di Bell e di Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), sono risorse fondamentali per l’elaborazione dell’informazione quantistica fotonica a variabili discrete. In molte architetture, questi stati vengono generati probabilisticamente: prima si heraldano singoli fotoni da sorgenti biphotoniche, poi li si fa interferire in circuiti ottici lineari. In questo lavoro mostriamo che la struttura dell’entanglement di queste sorgenti biphotoniche può essere sfruttata direttamente per ingegnerizzare il rumore e ottenere stati risorsa di qualità superiore. Usando l’identità di trasposizione degli stati di vuoto squeezed multimodali, introduciamo implementazioni «ghost-unitary» in cui l’interferometro destinato a generare lo stato risorsa viene applicato ai modi di heralding anziché ai modi che trasportano lo stato risorsa. Quando l’imperfezione dominante è la perdita interferometrica, questo spostamento trasforma lo smorzamento diretto dell’ampiezza in uscita in eventi di heralding falsi positivi, che richiedono sia l’emissione di più coppie sia la perdita di fotoni. Nel regime di squeezing ridotto, questi eventi sono soppressi parametricamente, producendo stati risorsa condizionati con fedeltà maggiore. Analizziamo questo meccanismo per stati a singolo qubit, stati NOON a due fotoni, stati di Bell e una famiglia di stati GHZ a $n$ qubit, oltre che per la teleportazione di un singolo qubit e la crescita di risorse basata sulla fusione di tipo I. In tutti questi esempi individuiamo regimi finiti dei parametri in cui le implementazioni «ghost-unitary» superano quelle dirette, con particolare rilevanza per la fotonica a bin di frequenza, in cui le trasformazioni ottiche lineari attive possono essere relativamente soggette a perdite. Dimostriamo inoltre che, nel contesto qui considerato, l’implementazione diretta della famiglia $n$-GHZ produce uscite smorzate in modo identico, equivalenti allo stato ideale seguito da uno smorzamento uniforme dell’ampiezza. Questo estende i casi noti con $n=2,3$ e fornisce un risultato strutturale di interesse indipendente per l’elaborazione dell’informazione quantistica fotonica.