High-dimensional quantum gates using full-field spatial modes of photons
Notice bibliographique
Résumé
Unitary transformations are the fundamental building blocks of gates and operations in quantum information processing, allowing the complete manipulation of quantum systems in a coherent manner. In the case of photons, optical elements that can perform unitary transformations are readily available only for some degrees of freedom, e.g., wave plates for polarization. However, for high-dimensional states encoded in the transverse spatial modes of light, performing arbitrary unitary transformations remains a challenging task for both theoretical proposals and actual implementations. Following the idea of multi-plane light conversion, we show that it is possible to perform a broad variety of unitary operations at high quality by using only a few phase modulation planes. More importantly, we experimentally implement several high-dimensional quantum gates for up to five-dimensional states encoded in the full-field mode structure of photons. In particular, we realize cyclic and quantum Fourier transformations, known as Pauli X ^ -gates and Hadamard H ^ -gates, respectively, with an average visibility of more than 90%. In addition, we demonstrate near-perfect “unitarity” by means of quantum process tomography, unveiling a process purity of 99%. Last, we demonstrate the benefit of the two independent spatial degrees of freedom, i.e., azimuthal and radial, and implement a two-qubit controlled-NOT quantum operation on a single photon. Thus, our demonstrations open up new paths to implement high-dimensional quantum operations, which can be applied to various tasks in quantum communication, computation, and sensing schemes.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».