[論文レビュー] Active Temporal Multiplexing of Photons

Gabriel J. Mendoza, Raffaele Santagati+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2015

Quantum optics and atomic interactions参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、二重通過型の報知光子源を用いて、光子の能動的時間多重化を実証し、非多重化源と比較して効果的報知光子率を最大76%向上することを示した。低損失光スイッチングネットワーク、遅延ライン、高速フィードフォワード制御を用いることで、成功した光子生成イベントを同期的に1つの時間的・空間的モードにルーティングし、単一光子源の効率を顕著に向上させつつ、ノイズは低く保った。

ABSTRACT

Photonic qubits constitute a leading platform to disruptive quantum technologies due to their unique low-noise properties. The cost of the photonic approach is the non-deterministic nature of many of the processes, including single-photon generation, which arises from parametric sources and negligible interaction between photons. Active temporal multiplexing - repeating a generation process in time and rerouting to single modes using an optical switching network - is a promising approach to overcome this challenge and will likely be essential for large-scale applications with greatly reduced resource complexity and system sizes. Requirements include the precise synchronization of a system of low-loss switches, delay lines, fast photon detectors, and feed-forward. Here we demonstrate temporal multiplexing of 8 'bins' from a double-passed heralded photon source and observe an increase in the heralding and heralded photon rates. This system points the way to harnessing temporal multiplexing in quantum technologies, from single-photon sources to large-scale computation.

研究の動機と目的

• 量子技術におけるスケーラビリティを制限する、パラメトリック源からのフォトニック単一光子生成の非決定的性質に対処すること。
• 従来の報知単一光子源（HSPS）の25%という理論的上限である報知効率を超えるために、時間多重化を用いてこれを克服すること。
• 能動的スイッチングにより1つの物理的光源を複数の時間バッチに再利用することで、リソースの複雑さとシステムサイズを低減すること。
• 報知光子を1つの出力モードに高精度・低損失でルーティングし、効果的ソース性能を向上させること。
• 1つの光源を用いて空間的・時間的多重化をハイブリッド的に実現し、8つの有効なソース再現を模擬すること。

提案手法

• ポンプパルスが周期的ポリングリチウムニオブ酸塩（PPLN）結晶を2回通過する二重通過型報知光子源を実装し、ペア生成確率を向上させること。
• 自由空間の遅延ラインを用いて、時間多重化のための4つの異なる時間バッチ（遅延）を生成し、各通過間を固定時間間隔で分けること。
• 高速光スイッチングネットワークとフィードフォワード制御を用いて、成功した報知信号光子を1つの出力空間的・時間的モードにルーティングすること。
• 過サンプリングFPGAを用い、報知信号を検出すると同時に、システムクロックサイクルに同期して即時のスイッチング決定を実行すること。
• トリガー、一致、誤検出の確率分布を用いてシステムをモデル化し、検出器、フィルタ、スイッチの測定済み損失を組み込むこと。
• 実験データに適合するように数値フィッティングによりソースパラメータ（例：ポンプパワー、検出効率）を最適化し、理論モデルの妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 能動的時間多重化は、ノイズを増加させることなく、非決定的ソースからの有効報知光子率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 時間多重化は、フォトニック量子情報処理システムにおけるリソースのオーバーヘッドとシステムサイズをどの程度低減できるか？
• RQ3 時間的多重化と空間的多重化の組み合わせは、非多重化ソースと比較して、有効な単一光子放出確率をどの程度向上させるか？
• RQ4 スイッチング損失と検出器の過負荷が、時間多重単一光子ソースの性能に及ぼす影響は何か？
• RQ5 このシステムは、スケーラブルな量子計算に十分なCARR（一致対誤検出比）の向上を達成できるか？

主な発見

• 能動的時間多重化システムは、固定ノイズ条件下で、多重化を行わない同じソースと比較して、報知光子率を76%向上した。
• 測定された一致対誤検出比（CAR）は理論モデルと良好に一致しており、低ノイズかつ高精度な動作を確認した。
• 外部損失を除いたモデルでは、8倍の多重化ソースが、固定されたマルチ光子放出確率のもとで最大50%の単一光子放出確率を達成できることを示した。
• 本システムは、1つの物理的ソースのみを用いて、空間的・時間的ハイブリッド多重化を成功裏に実現し、8つの有効なソース再現を模擬した。
• 成功した報知光子イベントをトリガーする確率は、単一通過時のおおよそ15%から、完全な多重化システムでは約98%に向上した。
• 実験データは理論モデルと良好に一致しており、最良のフィットパラメータにおける平均R²は0.987であり、高いモデル精度を示した。