[論文レビュー] Cavity enhanced second-order nonlinear quantum photonic logic circuits

Rahul Trivedi, Uday K. Khankhoje+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2015

Optical Network Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、二モードキャビティを用いてキャビティ増幅を施した第二準位非線形（χ²）光子論理回路を提案し、低消費電力の全光論理ゲートを実現する。中程度のQ値キャビティ（Q ~ 10⁴）におけるχ²非線形性を活用することで、超高Q値キャビティ（Q ~ 10⁶）を必要とするχ³ベースの代替手法と比較して、エネルギー効率が10倍優れている。

ABSTRACT

A large obstacle for realizing quantum photonic logic is the weak optical nonlinearity of available materials, which results in large power consumption. In this paper, we present the theoretical design of all-optical logic with second order ($\chi^{(2)}$) nonlinear bimodal cavities and their networks. Using semiclassical models derived from the Wigner quasi-probability distribution function, we analyze the power consumption and signal-to-noise ratio (SNR) of networks implementing an optical AND gate and an optical latch. Comparison between the second and third order $(\chi^{(3)})$ optical logic reveals that while the $\chi^{(3)}$ design outperforms the $\chi^{(2)}$ design in terms of the SNR for the same input power, employing the $\chi^{(3)}$ nonlinearity necessitates the use of cavities with ultra high quality factors ($Q\sim 10^6$) to achieve gate power consumption comparable to that of the $\chi^{(2)}$ design at significantly smaller quality factors ($Q \sim 10^4$). Using realistic estimates of the $\chi^{(2)}$ and $\chi^{(3)}$ nonlinear susceptibilities of available materials, we show that at achievable quality factors ($Q \sim 10^4$), the $\chi^{(2)}$ design is an order of magnitude more energy efficient than the corresponding $\chi^{(3)}$ design.

研究の動機と目的

• 光子材料における弱い光学非線形性が、エネルギー効率の良い量子光子論理に制限をもたらすという課題に対処すること。
• 二階非線形性（χ²）を二モードキャビティで用いることで、全光論理ゲートの実現可能性を検討すること。
• 現実的な材料およびキャビティの制約下で、χ²とχ³非線形設計のエネルギー効率および信号対雑音比（SNR）を比較すること。
• 実用的実装のための最適なキャビティ品質因子（Q）を特定すること、その際、消費電力とSNRのバランスをとること。

提案手法

• Wigner準確率分布関数から導出された半古典的近似を用いた、χ²非線形性を有する二モードキャビティの理論的モデリング。
• 結合キャビティのダイナミクスに基づく、論理ゲート（ANDゲートおよびラッチを含む）のネットワークモデルの構築。
• 性能評価のため、利用可能な材料のχ²およびχ³非線形感受率の現実的な推定値を用いる。
• Q値を10⁴から10⁶の範囲で変化させた場合の、消費電力および信号対雑音比（SNR）の分析。
• 入力電力およびQ因子を同一条件としたもとで、χ²およびχ³設計の比較によるエネルギー効率の評価。
• 半古典的モデルを用いたシミュレーションによるゲート性能の評価を通じて、SNRおよびエネルギー効率の予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度のQ値キャビティにおけるχ²非線形光子回路は、χ³ベースの設計と比較して競争力のあるエネルギー効率を達成できるか？
• RQ2 χ³ベースの論理回路が、Q ~ 10⁴におけるχ²ベースの論理回路の消費電力と同等にするには、どの程度のキャビティ品質因子（Q）が必要か？
• RQ3 同じ入力電力下で、χ²ベースの論理回路の信号対雑音比（SNR）はχ³ベースの論理回路と比べてどの程度か？
• RQ4 実現可能なQ値（Q ~ 10⁴）における、χ²ベースの論理回路がχ³ベースの論理回路に対して示すエネルギー効率の優位性は何か？
• RQ5 現実的な材料の非線形性は、χ²非線形性を用いた低消費電力全光論理の実用的実装を可能にするか？

主な発見

• 実現可能なキャビティ品質因子（Q ~ 10⁴）において、χ²ベースの設計は、対応するχ³ベースの設計よりも10倍のエネルギー効率が優れている。
• χ³ベースの設計は、Q ~ 10⁴におけるχ²設計と同等の消費電力に達するため、超高Q値キャビティ（Q ~ 10⁶）を必要とする。
• χ³設計は同じ入力電力下でより良いSNRを示すが、実際の材料ではQ ~ 10⁶を達成することは現実的ではないため、その利点は相殺される。
• χ²設計は、Q値要件が低いため、SNRがわずかにχ³設計より低い場合でも、良好なエネルギー効率を維持する。
• 現実的な材料の推定値から、χ²ベースの回路は実験的に達成可能なQ値で低消費電力光子論理に実現可能であることが確認された。
• 本研究は、二モードキャビティにおけるχ²非線形性が、エネルギー効率の良い全光量子論理への実用的道筋を提供することを示した。