[論文レビュー] Climbing the Fock ladder: Advancing multiphoton state generation

M. Engelkemeier, Jan Sperling+6 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、陽的光子を用いて次の非線形プロセスを連続的にシードすることで、反復的かつ量子フィードバックを用いて高光子数フォック状態を構築するフィードバックベースの時間多重パラメトリックダウンコンバージョン方式を提示する。ループ内での光の再利用と量子フィードバックを活用することで、直接の陽的光子による生成に比べて著しく高い成功確率を達成し、4光子状態では最大100倍の向上が実証された。高精度を維持したまま、従来技術では到達できない非古典的状態の生成が可能となり、主にループ損失が主な制限要因となる。

ABSTRACT

A scheme for the enhanced generation of higher photon-number states is realized, using an optical time-multiplexing setting that exploits a parametric down-conversion source for an iterative state generation. We use a quantum feedback mechanism for already generated photons to induce self-seeding of the consecutive nonlinear process, enabling us to coherently add photons to the light that propagates in the feedback loop. The addition can be carried out for any chosen number of round trips, resulting in a successive buildup of multiphoton states. Our system is only limited by loop losses. The looped design is rendered possible by a carefully engineered waveguide source that is compatible with and preserves the shape of the propagating mode. We compare the fidelities and success probabilities of our protocol with the common direct heralding of photon-number states. This comparison reveals that, for same the fidelity, our feedback-based setup significantly enhances success probabilities, being vital for an efficient utilization in quantum technologies. Moreover, quantum characteristics of the produced states are analyzed, and the flexibility of producing higher photon-number states with our setup beyond the common direct heralding is demonstrated.

研究の動機と目的

• 高光子数フォック状態の直接陽的光子による生成における指数関数的に減少する成功確率を克服すること。
• 効率的かつ高精度なスケーラブルなフィードバック駆動型多光子状態生成手法を開発すること。
• 従来の直接陽的光子による生成の限界を超えた、より高い光子数状態の構築可能性を実証すること。
• ループ損失が反復的多光子状態生成における非古典的性質と状態品質に与える影響を分析すること。

提案手法

• ポンプパルスが信号光子と繰り返し相互作用できる、波ガイド型パラメトリックダウンコンバージョン（PDC）源を備えた時間多重光学ループを用いる。
• 陽的光子として検出されたイジール光子が次のPDCイベントをトリガーする量子フィードバックメカニズムを採用し、ループ内での光子のコherentな加算を実現する。
• 空間的および時間ビン多重化と単一光子検出器を用いて、陽的光子の近似された光子数分解能を達成する。
• 所定のループ回数後に、生成された多光子状態を決定論的に出力するため、電気光学モジュレータを適用する。
• PDCプロセスを制御し、現実的な損失条件下でのシステムシミュレーションを行うために、圧縮パラメータ|ζ| ≈ 0.3を用いる。
• 非古典的性質の評価に、ネガティビティ𝒩と統計的有意性を用い、生成された状態の量子的性質を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィードバックに基づく反復的スキームは、直接陽的光子による生成と比較して、高光子数フォック状態の生成成功確率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 時間多重フィードバックアーキテクチャにおいて、ループ損失は生成された多光子状態の非古典的性質と忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 複数のループ回数にわたる陽的光子検出パターンの最適な組み合わせは何か？非古典的性質と統計的有意性を最大化するための最適化を目的とする。
• RQ4 フィードバック機構により、n > 4光子のフォック状態が高忠実度と非古典的性質を保持したまま生成可能か？

主な発見

• 4光子状態の場合、フィードバック方式（FH）は成功確率0.0316 ± 1.53×10⁻⁴ ‰を達成し、類似した忠実度条件下で直接陽的光子による生成（DH）と比較して100倍の向上を示した。
• フィードバックで生成された4光子状態の忠実度は99.98 ± 6.63×10⁻⁴ %に達し、同様の条件下での直接陽的光子による生成を上回った。
• 実験ではループ損失の影響により、光子数が増加するにつれて非古典的性質（𝒩）が低下したが、損失なしのシミュレーションでは光子数の増加に伴い期待通りに増加した。これにより、ループ損失が主な制限要因であることが確認された。
• 5光子状態において、陽的光子検出パターン（2,3）が統計的有意性1.0を達成し、非古典的性質は類似していたが、検出イベントレートが高いため（1,4）よりも優れた性能を示した。
• 本方式により、非古典的性質𝒩 ≈ -1.8×10⁻⁴および有意性1.7を示す6光子状態の生成が可能となり、4光子を超える状態生成の実現可能性が実証された。
• フィードバックによる4光子状態生成の成功確率は0.298 ± 0.0006であり、類似した忠実度条件下で直接陽的光子による生成が達成した0.0119 ± 9.24×10⁻⁵ ‰と比較して顕著に高い値であった。