[論文レビュー] A quantum detector for photon entanglement

Jan Huwer, Joyee Ghosh+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、40Ca+イオン1個を用いて、可変帯域幅の狭帯域光子対を発生させる自己誘発的位相一致非線形効果（SPDC）源からの偏光エンタングルメントを特徴付ける、偏光に敏感な共鳴単一光子検出器としての性能を示している。共鳴検出による光子吸収を仲介し、量子状態トモグラフィーを実行することで、著者らは最大エンタングル状態であるベル・スイングレット状態との100%の忠実度に達し、単粒子レベルでの高忠実度エンタングルメント検出を確認した。

ABSTRACT

We use a single trapped 40Ca+ ion as a resonant, polarization-sensitive absorber to detect and characterize the entanglement of tunable narrowband photon pairs from a spontaneous parametric down-conversion source. Single-photon absorption is marked by a quantum jump in the ion and heralded by coincident detection of the partner photon. For three polarization basis settings of absorption and detection of the herald, we find maximum coincidences always for orthogonal polarizations. The polarization entanglement is further evidenced by tomographic reconstruction of the biphoton quantum state.

研究の動機と目的

• 量子ネットワーキングを実現するため、単一光子と単一原子量子ビットの間で制御可能な、単一粒子レベルのインターフェースを開発すること。
• 1つのトラップされたイオンが、エンタングルド光子対の偏光に敏感な検出器として機能できることを実証すること。
• 単一イオン検出器を用いた量子状態トモグラフィーにより、SPDC光子対の偏光エンタングルメントを検証および特徴付けること。
• 高忠実度で光子のヘルド吸収を達成し、将来的な量子メモリーや量子リピーターへの応用を可能にすること。

提案手法

• 1個の40Ca+イオンをレーザー冷却し、線形パウルトラップに閉じ込め、入射光子の共鳴的かつ偏光選択的吸収体として機能させる。
• タイプII位相一致の自己誘発的位相一致非線形効果（SPDC）を用いて、周期的ポリングKTP結晶内で光子対を生成し、854 nmで偏光エンタングルド対を発生させる。
• 1つの光子（トリガ）を2段階のフォーサーフィルターキャビティを通過させ、イオンの遷移幅と周波数に一致させ、アバランチフォトダイオードで検出する。
• フィルタリングされていない相方光子は、高数値の数値的NAを有する光学系を介してイオンに結合され、トリガ光子の検出によってその吸収がヘルドされる。
• 磁場中での光学ポンピングによりイオンの状態を準備し、H-V、D-A、および円偏光基底における光子偏光に応じた選択的吸収を可能にする。
• 16の独立した偏光基底の組み合わせにおける一致率を測定し、密度行列の最尤推定を実行することで、量子状態トモグラフィーを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのトラップされた40Ca+イオンは、エンタングルド光子対の偏光に敏感な共鳴検出器として機能できるか？
• RQ2 イオンによる光子のヘルド吸収が、SPDC対の背後にある偏光エンタングルメントを明らかにできるか？
• RQ3 再構成された2光子量子状態と理想のベル・スイングレット状態との忠実度はどの程度か？
• RQ4 イオンを測定装置として用いることで、二光子状態の量子トモグラフィーを成功裏に実行できるか？

主な発見

• 直交偏光に対して、最大で1分間に約1回の一致率を示し、バックグラウンド補正前のH-V基底における可視度は56(6)%であった。
• D-A基底では、最大一致率が0.4/minで、バックグラウンド補正前のフレーム可視度は50(9)%であった。
• 再構成された密度行列は、最大エンタングル状態であるベル・スイングレット状態 |Ψ⁻⟩ との忠実度0.93(4)を示した。
• concurrenceは0.93(6)、生成のたんまり（tangle of formation）は0.86(11)と測定され、強いエンタングルメントが確認された。
• バックグラウンドイベント（主にヘルドの喪失と自発的放出）が可視度を制限しているが、最小フレームは常にバックグラウンドレベルと一致した。
• 結果は、トラップされたイオンが、エンタングルド光子の高忠実度で偏光選択的検出器として機能でき、二光子系の完全な量子状態トモグラフィーを可能にすることを確認した。