[論文レビュー] An integrated source of spectrally filtered correlated photons for large scale quantum photonic systems

Nicholas C. Harris, Davide Grassani+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 81被引用数 56

ひとこと要約

本稿では、分散ブレグ反射鏡と電気的に可変なリングレゾネータを用いて、95 dBを超えるオンチップポンプ除去を実現した、モノリシックでCMOSプロセスと互換性のあるシリコンフォトニクスチップを提案する。このチップは、スペクトル的にフィルタリングされた量子相関光子対を生成し、オンチップで単一光子源と検出器を完全に統合する。これにより、外部フィルタを用いずに一致率対偶然率比が50に達し、スケーラブルな量子フォトニクス回路の実現に向けた道筋が示された。

ABSTRACT

We demonstrate the generation of quantum-correlated photon-pairs combined with the spectral filtering of the pump field by more than 95dB using Bragg reflectors and electrically tunable ring resonators. Moreover, we perform demultiplexing and routing of signal and idler photons after transferring them via a fiber to a second identical chip. Non-classical two-photon temporal correlations with a coincidence-to-accidental ratio of 50 are measured without further off-chip filtering. Our system, fabricated with high yield and reproducibility in a CMOS process, paves the way toward truly large-scale quantum photonic circuits by allowing sources and detectors of single photons to be integrated on the same chip.

研究の動機と目的

• 単一光子源と検出器を1チップに統合することで、大規模な量子フォトニクスシステムの実現を図ること。
• 外部フィルタに依存せずに、約100 dBの除去比を必要とする、オンチップポンプ場の除去という重要な課題を解決すること。
• 完全なポンプ除去と信号/イダーのデマルチプレクシングを伴う、チップ間の光子対の伝送を実証し、スケーラブルな量子ネットワークを実現すること。
• 量子情報処理に適した高精度な非古典的二光子時間相関を達成すること。
• 標準的なCMOSプロセスを用いて、統合量子フォトニクス部品のスケーラブルで高効率なプロダクションを可能にすること。

提案手法

• 電気的に可変なシリコンマイクロリングレゾネータを用いて、スピンオフ四波混合（sFWM）により光子対を生成する。
• 2.576 mmの長さの分散ブレグ反射鏡（DBR）が、60 dBを超える除去比を提供し、初期のポンプ除去を実現する。
• 同じチップ上に配置された熱的に可変な追加-ドロップリングレゾネータが、追加のフィルタリングを実行し、合計で95 dBを超えるポンプ除去を達成する。
• ファイバーを介したチップ間伝送後に、可変リングフィルタを用いて信号光子とイダー光子をスペクトル的にデマルチプレクスする。
• 外部の超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）が、高い一致率対偶然率比で時間相関光子対を測定する。
• システム全体は標準的なCMOSシリコンフォトニクスプロセスでプロダクションされ、高効率、再現性、スケーラビリティを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部フィルタに依存せずに、モノリシックなシリコンフォトニクス統合回路で95 dBを超えるオンチップポンプ除去が達成可能か？
• RQ2 高精度で、完全にオンチップ上でスペクトル的に相関する光子対を生成・フィルタリング・デマルチプレクス可能か？
• RQ3 光ファイバーを介したチップ間伝送において、非古典的相関と完全なポンプ除去を維持しながら光子対を転送可能か？
• RQ4 追加の外部フィルタを用いずに、一致率対偶然率比が古典的限界（2）を超えるか？
• RQ5 標準的なCMOSプロセスに準拠したプロセスを用いて、単一光子源と検出器を同じチップに統合可能か？スケーラブルな量子フォトニクスシステムの実現に向けた可能性を示すか？

主な発見

• DBRと電気的に可変なリングレゾネータの組み合わせにより、外部フィルタを不要とする総合ポンプ除去比が95 dBを超えることを達成した。
• シリカファイバーを介したチップ間伝送後も、ポンプパワー0.3 mWで一致率対偶然率比が50 ± 6を維持し、非古典的二光子時間相関を保持した。
• 光源から検出器までの全損失は68 dBであり、主にシステム全体の伝送損失と結合損失に起因する。
• 光源、フィルタリング、デマルチプレクシングを含む全プロセスは1チップあたり1 mm²未満に収まり、高密度統合の可能性を示した。
• プロセスはCMOSプロセスと互換性があり、高効率で再現性が高く、統合量子フォトニクス部品のスケーラブルなプロダクションを可能にした。
• 本システムにより、単一光子源と検出器のオンチップ統合が実現され、大規模な線形光学量子計算およびボソンサンプリングへの重要な一歩が示された。