High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments

光子 物理 量子 量子力学
作者
Amin Babazadeh,Manuel Erhard,Feiran Wang,Mehul Malik,Rahman Nouroozi,Mario Krenn,Anton Zeilinger
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:119 (18) 被引量:149
标识
DOI:10.1103/physrevlett.119.180510
摘要

Transformations on quantum states form a basic building block of every quantum information system. From photonic polarization to two-level atoms, complete sets of quantum gates for a variety of qubit systems are well known. For multilevel quantum systems beyond qubits, the situation is more challenging. The orbital angular momentum modes of photons comprise one such high-dimensional system for which generation and measurement techniques are well studied. However, arbitrary transformations for such quantum states are not known. Here we experimentally demonstrate a four-dimensional generalization of the Pauli X gate and all of its integer powers on single photons carrying orbital angular momentum. Together with the well-known Z gate, this forms the first complete set of high-dimensional quantum gates implemented experimentally. The concept of the X gate is based on independent access to quantum states with different parities and can thus be generalized to other photonic degrees of freedom and potentially also to other quantum systems.
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