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Loss purification in linear-optical quantum circuits with measurement-induced nonlinearity
Michael Hans Hüttenbrenner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Borivoje Dakic
DOI
10.25365/thesis.80816
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27454.85042.375564-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die photonische Quanteninformationsverarbeitung wird durch Photonenverluste und partielle Unterscheidbarkeit beeinträchtigt, und viele On-Demand-Quellen wie Quantenpunkte emittieren Photonen, die nur unter möglichen Verlusten in Schaltungen eingespeist werden können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Purifikationsschemata, die darauf abzielen Vakuumanteile zu unterdrücken und die effektive Qualität der Zustände zu erhöhen. Dabei stehen Quantenschaltungen basierend auf linearer Optik, Ancilla-Photonen, und messungsinduzierter Nichtlinearität zur Verfügung. Es wird durch numerische Analyse gezeigt, dass eine KLM CNOT-basierte Schaltung nicht zu diesem Zweck verwendet werden kann, da sie weder gegen Verluste wirkt noch signifikant die Ununterscheidbarkeit der Photonen verbessert. Daraufhin wird ein allgemeines No-Go-Theorem für zustandsagnostische Purifikation der Photonenpräsenz bewiesen: Innerhalb des genannten Ressourcenmodells kann die Anwesenheitswahrscheinlichkeit eines Photons nicht über das hinaus verbessert werden, was bereits durch die Verwendung der jeweils verlustärmsten verfügbaren Photonenressource erreichbar ist. Für zustandserhaltende Verlustreduktion wird ein Protokoll, welches verschränkte Ressourcen benötigt, vorgestellt, und mit einem Protokoll, das lediglich zwei separable Ancilla-Photonen verwendet verglichen. Abschließend wird die Purifikation der Ununterscheidbarkeit zweier Photonen untersucht, mit dem Resultat, dass ein symmetrischer Strahlteiler (Hadamard-Gatter) die gefundene Schranke erfüllt, und somit von keiner Schaltung die auf linearer Optik und dem Ausbleiben von Detektor-Klicks (No-Click-Heralding) beruht übertroffen werden kann.
Abstract
(Englisch)
Photonic quantum information processing is impaired by photon loss and partial distinguishability, and many practical on-demand sources (e.g., quantum dots) emit photons whose coupling into circuits cannot be reliably heralded and is susceptible to loss. This thesis investigates purification schemes that aim to suppress vacuum components and improve effective state quality using linear optics, ancilla photons, and measurement-induced nonlinearities. We show numerically that a KLM-style CNOT circuit does not act as a loss or indistinguishability purifier. We then prove a general no-go theorem for state-agnostic loss-purification: within this resource model, the heralded presence probability cannot be improved beyond what is achievable by simply using the lowest-loss photon resource available. For state-preserving purification, we present a dual-rail qubit loss-purification scheme based on entangled resources and compare it to a protocol relying only on two separable ancilla photons. Finally, we study two-photon indistinguishability purification and show that, for two-photon linear-optical circuits with no-click heralding, the attainable improvement is bounded and is saturated by a balanced beam splitter (Hadamard) operation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Photonenverluste Quantenschaltung Purifikation lineare Optik Quanteninformationsverarbeitung partielle Unterscheidbarkeit Ancilla-Photonen messungsinduzierter Nichtlinearität Purifikation der Photonenpräsenz Verlustreduktion Ununterscheidbarkeit KLM
Schlagwörter
(Englisch)
photon loss Photonic quantum information processing partial distinguishability quantum circuits purification linear optics ancilla photons measurement-induced nonlinearities indistinguishability loss-purification KLM heralded presence probability
Autor*innen
Michael Hans Hüttenbrenner
Haupttitel (Englisch)
Loss purification in linear-optical quantum circuits with measurement-induced nonlinearity
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
ix, 67 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Borivoje Dakic
Klassifikationen
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik
AC Nummer
AC17827345
Utheses ID
79811
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |