Collaboration is key at the Institute for Quantum Computing (IQC). IQC researchers are working together towards unlocking high-dimensional quantum optics. They are advancing fundamental research with future applications for quantum communications and computing. Building off earlier research, a group of IQC researchers measured the correlation of polarization-entangled photon pairs using orbital angular momentum (OAM) lattices.
OAM, a property of light, refers to the twisting of a particle. The polarization of light offers access to only a limited number of states, but OAM allows access a vast number of states. The team used both polarization and OAM to combine the advantages of both. Expanding the number of accessible states with OAM, while using the controllable nature of polarization, moves the research towards one of the big goals of quantum optics: high-dimensional entanglement.
A. R. Cameron et al., “Remote state preparation of single-photon orbital-angular-momentum lattices,” Phys. Rev. A 104, L051701 (2021).
An earlier study led by Dusan Sarenac, a research associate at IQC, investigated OAM lattices with neutrons. Following the success of that first experiment with neutrons, the team posited that the same may also be measured with photons.
“On the surface, neutrons and photons don't seem to have a lot in common, but when you dig in, they do. Sometimes the applications of one end up being interesting for the other as well,” said Andrew Cameron, PhD student with the Department of Physics and Astronomy and IQC member.
The IQC advantage is that theorists and experimentalists work together. It is a collaborative and interdisciplinary approach to research. Each researcher brought their unique expertise to each step of the experiment from design to implementation in the Quantum Optics and Quantum Information lab.
This team first demonstrated a Talbot effect of OAM lattices with single photons. This latest investigation introduces multi-particle entanglement, not yet possible with neutrons.
“We published our first report about what happens if these kind of lattice states propagate. They transform and interfere with themselves as they propagate which is called the Talbot effect,” said Cameron. “The second step was applying the lattice transformation to one of the photons to produce correlations between the OAM of one photon and the polarization of its entangled partner.”
Entanglement is when two objects or particles have such a strong correlation that the properties of one cannot be described without considering the properties of other. Using photon pairs with polarization entanglement, the team passed one photon from each pair through a prism to manipulate its OAM. The team then measured the polarization of one entangled photon to determine the OAM lattice of its photon partner. The experiment showed a strong correlation between photon pairs, indicating entanglement.
Future work is to study the lattices with more prism pairs to expand the number of accessible OAM states. Unlocking high-dimensional quantum optics would expand quantum communication protocols to be more robust and encode more information.
Kevin Resch, principal investigator led this research in collaboration with IQC’s Transformative Quantum Technologies (TQT) led by professor David Cory. This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through TQT.
The study Remote state preparation of single-photon orbital-angular-momentum lattices by Andrew Cameron, Sandra Cheng, Sacha Schwarz, Connor Kapahi, Dusan Sarenac, Michael Grabowecky, David Cory, Thomas Jennewein, Dmitry Pushin, and Kevin Resch was published in Physical Review A on November 22, 2021.
Donner accès à l’optique quantique multidimensionnelle
La collaboration joue un rôle-clé à l’Institut d’informatique quantique (IQC). Des chercheurs de l’IQC travaillent ensemble dans le but de donner accès à l’optique quantique multidimensionnelle. Ils font progresser la recherche fondamentale, en vue d’applications futures dans les communications et le calcul quantiques. S’appuyant sur des recherches antérieures, une équipe de scientifiques de l’IQC a mesuré la corrélation au sein de paires de photons intriqués en polarisation en se servant de treillis d’états de moment angulaire orbital (MAO).
Le MAO est une propriété de la lumière qui exprime la quantité de rotation des photons. La polarisation de la lumière ne donne accès qu’à un nombre limité d’états, tandis que le MAO donne accès à un grand nombre d’états. L’équipe de l’IQC a utilisé à la fois la polarisation et le MAO, afin de combiner les avantages des deux. En augmentant le nombre d’états accessibles avec le MAO tout en exploitant la nature contrôlable de la polarisation, on fait progresser la recherche vers l’un des grands objectifs de l’optique quantique : l’intrication multidimensionnelle.
Cameron, A. R., et al., « Remote state preparation of single-photon orbital-angular-momentum lattices » (Préparation à distance de treillis d’états de moment angulaire orbital de photons individuels) », Physical Review A, vol. 104, 2021, article no L051701.
Des travaux précédents menés par Dusan Sarenac, assistant de recherche à l’IQC, portaient sur des treillis d’états de MAO de neutrons. Après le succès de cette première expérience sur des neutrons, l’équipe a émis l’hypothèse que l’on pourrait faire la même chose avec des photons.
« En apparence, les neutrons et les photons ne semblent pas avoir grand-chose en commun, mais lorsqu’on y regarde de près, on découvre passablement de points communs, dit Andrew Cameron, membre de l’IQC et doctorant au Département de physique et d’astronomie. Parfois, les applications des uns s’avèrent également intéressantes pour les autres. » [traduction]
L'IQC bénéficie du fait que des théoriciens et des expérimentateurs travaillent ensemble, exploitant une méthode de recherche axée sur la collaboration et l’interdisciplinarité. Chaque scientifique a apporté l’expertise qui lui est propre à chaque étape de l’expérience, de sa conception à sa mise en œuvre au laboratoire d’optique et d’information quantiques.
L'équipe a d’abord fait la démonstration d’un effet Talbot de treillis d’états de MAO avec des photons individuels. Les plus récentes recherches montrent une intrication entre de multiples particules, ce qui n’est pas encore possible avec des neutrons.
« Nous avons publié notre premier rapport sur ce qui se passe lorsque des états de ce genre de treillis se propagent, dit M. Cameron. Au fur et à mesure de la propagation, ils se transforment et interfèrent avec eux-mêmes. C’est ce que l’on appelle l’effet Talbot. L’étape suivante a consisté à appliquer la transformation du treillis à l’un des photons, afin de produire des corrélations entre le MAO d’un photon et la polarisation de son partenaire d’intrication. » [traduction]
Il y a intrication lorsque 2 objets ou particules ont entre eux une corrélation si étroite que les propriétés de l’un des objets ne peuvent pas être décrites sans considérer les propriétés de l’autre. En prenant des paires de photons intriqués en polarisation, l’équipe a fait traverser un prisme par un photon de chaque paire pour en manipuler le MAO. L’équipe a ensuite mesuré la polarisation de l’un des photons intriqués pour déterminer le treillis d’états de son partenaire. L’expérience a révélé une étroite corrélation entre les photons d’une même paire, ce qui est un signe d’intrication.
Les prochains travaux consisteront à étudier les treillis avec davantage de paires de prismes, afin d’augmenter le nombre d’états de MAO accessibles. L’accès à l’optique quantique multidimensionnelle permettra d’étendre les protocoles de communication quantique, pour les rendre plus robustes et coder davantage d’information.
Kevin Resch, chercheur principal, a supervisé ces travaux en collaboration avec l’initiative Technologies quantiques transformatrices (TQT) de l’IQC, dirigée par le professeur David Cory. Ces recherches ont été financées en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, par l’intermédiaire de TQT.
L’article intitulé Remote state preparation of single-photon orbital-angular-momentum lattices (Préparation à distance de treillis d’états de moment angulaire orbital de photons individuels), par Andrew Cameron, Sandra Cheng, Sacha Schwarz, Connor Kapahi, Dusan Sarenac, Michael Grabowecky, David Cory, Thomas Jennewein, Dmitry Pushin et Kevin Resch, a été publié le 22 novembre 2021 dans Physical Review A.