[論文レビュー] Controllable generation of highly nonclassical states from nearly pure squeezed vacua

Kentaro Wakui, H. Takahashi+2 more|CERN Bulletin|Sep 20, 2006

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 120

ひとこと要約

本論文では、周期的 poled KTiOPO4 を用いた光誘導パラメトリック発振器により生成されるほぼ純粋な圧縮真空状態から光子を減算することで、単一光子状態やシュレーディンガーのネコ状態といった非常に非古典的な光状態を制御可能に生成する手法を提示する。この手法により、観測された中で最も深い負のウィグナー関数の谷が得られ、W(0,0) = −0.065 に達し、ポンプパワーによる圧縮の制御によって高い非古典性を実証した。

ABSTRACT

We present controllable generation of various kinds of highly nonclassical states of light, including the single photon state and superposition states of mesoscopically distinct components. The high nonclassicality of the generated states is measured by the negativity of the Wigner function, which is largest ever observed to our knowledge. Our scheme is based on photon subtraction from a nearly pure squeezed vacuum, generated from an optical parametric oscillator with a periodically-poled KTiOPO$_4$ crystal as a nonlinear medium. This is an important step to realize basic elements of universal quantum gates, and to serve as a highly nonclassical input probe for spectroscopy and the study of quantum memory.

研究の動機と目的

• 単一光子状態やメソスコピックに異なる重ね合わせ状態（シュレーディンガーのネコ）を含む、高非古典的光子状態を制御可能に生成するための手法を開発すること。
• 信号対雑音比の高いトリガーフォトン検出を可能にする、ほぼ純粋な圧縮真空入力を用いることで、従来の光子減算手法の限界を克服すること。
• これまでに観測された中で最も深い負のウィグナー関数の谷を達成し、連続変数量子状態における非古典性のベンチマークを提供すること。
• ポンプパワーの調整により、単一光子状態領域からメソスコピック重ね合わせ状態領域への連続的遷移を可能にすること。

提案手法

• 周期的 poled KTiOPO4 (PPKTP) 晶体を用いた連続波光誘導パラメトリック発振器 (OPO) を用いて、ほぼ純粋な圧縮真空状態を生成する。
• トリガーフォトン検出のための小さな一部の圧縮ビームを分岐させるためのタッピングビームスプリッター (TBS) を用いる。
• 商業用 Si-APD を三重のフィルターキャビティで装備し、トリガーフォトンを検出する。検出プロセスはオン/オフの正の自己随伴作用素測定 (POVM) としてモデル化される。
• トリガーフォトンの検出に応じて、パス A の出力状態を条件づけ、光子減算された圧縮状態が得られる。
• 信号モードを定義するためにモード関数展開を適用し、状態再構成における二乗誤差を最小化する最適なモード関数を決定する。
• 共分散行列とオン/オフ検出器モデルを用いてウィグナー関数を構築し、実験的不確実性を補正するための有効透過率、損失、雑音パラメータを組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ほぼ純粋な圧縮真空からの光子減算によって、これまでに達成されたものよりも深い負のウィグナー関数の谷を持つ高非古典的状態を生成できるか？
• RQ2 ポンプパワーによって制御される圧縮レベルは、単一光子状態とメソスコピック重ね合わせ状態との間の遷移にどのように影響するか？
• RQ3 損失や検出器雑音などの実験的不確実性は、どの程度補正可能であり、ウィグナー関数の負の性質を保持できるか？
• RQ4 この手法は、量子情報処理や量子メトロロジーに適した高精度で制御可能な非古典的状態の生成を達成できるか？

主な発見

• 本手法により、これまでに観測された中で最も深い負のウィグナー関数の谷が達成され、W(0,0) = −0.065 に達した。これは、単一光子状態の −0.04 やシュレーディンガーのネコ状態の −0.026 よりも顕著に深い。
• 高い非古典性は、信号対雑音比の高いトリガーフォトン検出を可能にするほぼ純粋な圧縮真空入力のおかげで実現された。これは、わずかなビーム分率（1–10%）からの検出に成功した。
• 損失と検出器雑音のモデル化を慎重に行うことで、ウィグナー関数の負の性質が実験的不確実性に対して強く保たれた。特に、圧縮レベルに依存する損失（τs(z) = τs0 − κz²）を説明するための現象論的モデルが、高圧縮領域での劣化を説明した。
• ポンプパワーの調整により、単一光子状態領域からメソスコピック重ね合わせ状態領域への連続的チューニングが可能であり、圧縮レベルの制御によって実現された。
• オン/オフ検出器 POVM と共分散行列形式を用いた理論的モデリングにより、ウィグナー関数が実験データを正確に再現した。これにより、状態再構成の妥当性が検証された。