[論文レビュー] CMOS-compatible, multiplexed source of heralded photon pairs: towards integrated quantum combs

Christian Reimer, Lucia Caspani+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2014

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ひとこと要約

本論文では、200 GHzチャネル間隔を有する周波数コンブを介して、複数の同時発生する報知光子対を生成する、CMOS準拠で統合されたマイクロリング共振器を提案する。これは、光ファイバー通信ネットワークおよび量子メモリと互換性がある。自己ロックドポンプ構成で動作することで、アクティブな安定化を要せず、低消費電力で安定した動作を実現し、統合量子フォトニクス向けにスケーラブルで多重化可能な量子光源を実現する。

ABSTRACT

We report an integrated photon pair source based on a CMOS-compatible microring resonator that generates multiple, simultaneous, and independent photon pairs at different wavelengths in a frequency comb compatible with fiber communication wavelength division multiplexing channels (200 GHz channel separation) and with a linewidth that is compatible with quantum memories (110 MHz). It operates in a self-locked pump configuration, avoiding the need for active stabilization, making it extremely robust even at very low power levels.

研究の動機と目的

• オンチップ量子フォトニクス向けにスケーラブルで統合された報知光子対の光源を開発すること。
• 200 GHzのチャネル間隔により、既存の光ファイバー通信インfraストラクチャと互換性を確保すること。
• 狭帯域幅（110 MHz）の光子対により、量子メモリとインターフェース可能とすること。
• 自己ロックドポンプ構成を採用することで、アクティブな安定化の必要性を排除すること。
• 1つのデバイス内で複数の独立した光子対を同時に多重化して生成することを実証すること。

提案手法

• 高Q値の光学モードを支持する、CMOS準拠の窒化ケイ素マイクロリング共振器を用いる。
• ポンプレーザーを共振モードに位相ロックする自己ロックドポンプ方式を実装し、外部安定化を不要にする。
• 標準的なWDMチャネルと一致する200 GHz間隔の複数のコンブラインをサポートするように共振器を設計する。
• マイクロリング内の自己非線形効果（SFWM）を用い、周波数コンブ構成でエンタングルド光子対を生成する。
• デバイスの幾何形状および材料特性を最適化し、110 MHzの帯域幅を達成し、量子メモリとのインターフェースに適する。
• 異なるコンブラインに跨る複数の独立した対生成プロセスをサポートするように共振器を設計することで、多重化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOS準拠で統合されたマイクロリング共振器は、最小限の外部制御で複数の同時発生する報知光子対を生成できるか？
• RQ2 ポンプレーザーの自己ロックが、量子フォトニクス光源におけるアクティブな安定化の必要性をどの程度低減できるか？
• RQ3 200 GHz間隔の周波数コンブに沿って、光子対生成を多重化できるか？これは通信用WDM基準と一致するか？
• RQ4 生成された光子対の帯域幅（110 MHz）は、量子メモリとインターフェース可能程度に十分に狭いか？
• RQ5 低ポンプパワーでも安定して動作し、高い対生成効率とスペクトル純度を維持できるか？

主な発見

• デバイスは200 GHzのチャネル間隔を持つ周波数コンブを介して、複数の同時で独立した報知光子対を生成した。
• 光子対の帯域幅は110 MHzで測定され、量子メモリとの互換性要件を満たしている。
• 自己ロックドポンプ構成により、アクティブな安定化を要せず、低ポンプパワーでも安定した動作が実現した。
• CMOS準拠の窒化ケイ素プラットフォームは、効率的な周波数コンブ生成に不可欠な高品質因子共振を支持した。
• 複数のコンブラインに跨る多重化動作が実証され、スケーラブルな量子光源の実現に寄与した。
• 既存の光ファイバー通信ネットワークと互換性のある構成で動作したため、将来の古典的および量子ネットワークとの統合が可能となった。