[論文レビュー] Direct Generation and Detection of Quantum Correlated Photons Four Octaves Apart

Yong Meng Sua, Heng Fan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2017

Advanced Optical Sensing Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、室温下で周期的ポーライズドリチウムニオブ酸塩波導を用い、スプライスパラメトリックダウンコンersionにより、4オクターブにわたる非常に非縮退な量子相関光子対（780 nmおよび3950 nm）を直接生成・検出することを示した。偶然計数比が54に達したことで、強い量子相関が確認され、可視光および中赤外光量子システムの統合が可能となり、センシングおよび通信分野における高度な応用が実現可能となる。

ABSTRACT

Quantum correlated, highly non-degenerate photons can be used to synthesize disparate quantum nodes and link quantum processing over incompatible wavelengths, thereby constructing heterogeneous quantum systems for otherwise unattainable superior performance. Existing techniques for correlated photons have been concentrated in the visible and near-IR domains, with the photon pairs residing within one octave. Here, we demonstrate direct generation and detection of high-purity photon pairs at room temperature that are four octaves apart, one at 780 nm to match the rubidium D2 line, and the other at 3950 nm that falls in a transparent, low-scattering optical window for free space applications. The pairs are created via spontaneous parametric downconversion in a lithium niobate waveguide with specially designed geometry and periodic poling. The 780 nm photons are measured with a silicon avalanche photodiode, and the 3950 nm photons are measured with an upconversion photon detector using a similar waveguide, which attains 34% internal conversion efficiency. Quantum correlation measurement yields a high coincidence-to-accidental ratio of 54, which indicates the strong correlation with the extremely non-degenerate photon pairs. Our system bridges existing quantum technology to the challenging mid-IR regime, where unprecedented applications are expected in metrology, sensing, communications, medical diagnostics, and so on.

研究の動機と目的

• 可視光と中赤外光量子技術のギャップを埋めるために、4オクターブにわたる非常に非縮退な光子対の生成および検出を目的とする。
• 特に中赤外帯の自由空間透過窓を活用した応用を想定し、互換性のない波長で動作する実用的な量子システムを実現することを目的とする。
• 従来の技術は主に1オクターブ以内に限定され、可視光／近赤外帯でのみ動作するという制限を克服することを目的とする。
• スケーラブルで頑丈な量子システムのため、室温下で高純度の光子対を生成することを目的とする。
• 高い内部効率を有する波導内でのアップコンersionを用いた中赤外光子の効率的検出を実証することを目的とする

提案手法

• 780 nmおよび3950 nmの光子対生成を可能にするために、特別に設計された幾何形状を有する周期的ポーライズドリチウムニオブ酸塩波導を用い、スプライスパラメトリックダウンコンERSION（SPDC）を実施した。
• 可視光スペクトルにおける高い感度を活かし、780 nm光子の検出にシリコンアクティブラッチフォトダイオードを採用した。
• 中赤外光子の検出には波導型アップコンバージョン検出器を用い、中赤外光子を検出可能な可視光に変換する内部効率34％を達成した。
• 偶然計数との比較による偶然計数比を測定することで、量子相関の度合いを定量化するための一致計数測定装置を構築した。
• 生成効率および相関光子対の純度を最大化するため、波導のポーライズド周期および位相一致条件を最適化した。
• システムの安定性と実用性を高めるために、室温下での動作を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの非線形媒質を用いて、4オクターブ帯域にわたる量子相関光子対を直接生成・検出することは可能か？
• RQ2 室温下で、可視光（780 nm）と中赤外光（3950 nm）のそれぞれに属する光子対を高純度で生成することは可能か？
• RQ3 波導内でのアップコンバージョン検出は、量子相関系における中赤外光子の信頼性ある測定を可能にする十分な効率を達成できるか？
• RQ4 非常に非縮退な光子対間の量子相関度合いは、偶然計数比によってどの程度定量化できるか？
• RQ5 本システムは、可視光および中赤外光量子ノードを統合し、異種量子ネットワークに実用的に応用可能か？

主な発見

• 本システムは、780 nmおよび3950 nmの光子対を4オクターブにわたって効果的に生成・検出することに成功した。
• 偶然計数比が54に達し、非常に非縮退な光子対間に強い量子相関が存在することが確認された。
• アップコンバージョン検出器は内部変換効率34％を達成し、中赤外光子の効果的な検出が可能となった。
• システム全体が室温下で動作したため、冷却装置を要する代替手法と比較して実用性が向上し、構成が簡素化された。
• 3950 nmの光子は、自由空間において散乱が少なく、透過性に優れる窓域に位置しており、長距離量子通信およびセンシングに最適である。
• 周期的ポーライズドリチウムニオブ酸塩波導を用いることで、極端な波長差に対しても効率的な位相一致SPDCが実現され、異種量子システム向けのスケーラブルなプラットフォームとしての有効性が示された。