[論文レビュー] Distribution of Telecom Entangled Photons through a 7.7 km Antiresonant Hollow-Core Fiber

Michael Antesberger, Carla M. D. Richter+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2023

Quantum Information and CryptographyComputer Science参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、7.7 kmのアンチレゾナント・ホールローク・ファイバー（AR-HCF）を通じて、通信波長帯の時間ビンエンタングルド光子を長距離にわたって分配することに成功し、高い忠実度でエンタングルメントを保存することを示した。AR-HCFの低い色散特性により、従来の固体コアファイバーと比較して、140 psまで短い時間ビン間隔を実現でき、時間ビン量子鍵配送プロトコルにおける安全鍵レートを顕著に向上させた。

ABSTRACT

State of the art classical and quantum communication rely on standard optical fibers with solid cores to transmit light over long distances. However, recent advances have led to the emergence of antiresonant hollow-core optical fibers (AR-HCFs), which due to the novel fiber geometry, show remarkable optical guiding properties, which are not as limited by the material properties as solid-core fibers. In this paper, we explore the transmission of entangled photons through a novel 7.7 km AR-HCF in a laboratory environment at 1550 nm, presenting the first successful demonstration of entanglement distribution via a long AR-HCF. In addition to showing these novel fibers are compatible with long distance quantum communication, we highlight the low latency and low chromatic dispersion intrinsic to AR-HCF, which can increase the secure key rate in time-bin based quantum key distribution protocols.

研究の動機と目的

• 時間ビンエンタングルド光子を7.7 kmのアンチレゾナント・ホールローク・ファイバー（AR-HCF）を介して長距離にわたって分配することを実証すること。AR-HCFは優れた光学的特性を有する新規なファイバーである。
• 従来の固体コアファイバーが量子通信において抱える制限、特に量子光源の周波数をCバンドにシフトする必要性と高価な検出器の使用を解消すること。
• 標準的なSMF28ファイバーと比較して、時間ビン間隔を変化させた場合のAR-HCFにおけるエンタングルメント忠実度の維持性能を評価すること。
• 色散と検出器のジッターが、AR-HCFを用いた長距離量子通信におけるエンタングルメント忠実度に与える影響を定量化すること。
• 量子コンponentsのネイティブ波長動作を支援する幅帯域量子ネットワークの基盤としてAR-HCFを実用的かつ有効なものとすることを確立すること。

提案手法

• 1550 nmで発生する自己非線形効果による二光子生成源を用いて、偏光-時間ビンエンタングルドベル状態 |Ψ⁻⟩ を生成する。
• 1550 nmにおける色散パラメータが約2 ps/nm·kmの7.72 kmのAR-HCFを介して、時間ビン量子ビットを伝送する。
• 伝送後、時間ビン量子ビットを測定するために、ジッターが小さい超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用いる。
• 2量子ビットの量子状態トモグラフィーを実施し、密度行列を再構築。エンタングルメント忠実度は、concurrence（concurrence）と純度（purity）を用いて定量する。
• 時間ビン間隔（Δt）を変化させた場合の、AR-HCFと標準SMF28ファイバー間のエンタングルメント保存性能を比較する。
• 時間ビンの重なりが検出器の誤検出に与える影響をモデル化し、小さなΔtにおけるconcurrenceとpurityの低下を解釈する。

Figure 1: Experimental Apparatus: a) A schematic of the full experimental setup. Panel b) shows a simplified “unfolded” setup with color coded panels corresponding to different sections of Panel a) . See the main text for a detailed explanation of each section of the experiment. Panel c) displays a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンチレゾナント・ホールローク・ファイバーを介して7.7 kmの距離で時間ビンエンタングルド光子を分配する際、忠実度の著しい低下なしに成功するか？
• RQ2 AR-HCFの色散特性は、小さな時間ビン間隔において、従来のSMF28ファイバーと比較してエンタングルメントをどれほど効果的に維持できるか？
• RQ3 AR-HCFにおいて、検出器のジッターは色分散効果と比較して、エンタングルメント忠実度にどの程度制限を及えるか？
• RQ4 AR-HCFはSMF28ファイバーと比較して、より小さな時間ビン間隔をサポートできるか？その結果、時間ビンQKDにおけるより高い安全鍵レートが達成可能か？
• RQ5 低非線形性とほぼ光速に近い群速度が、量子ネットワークのスケーラビリティに与える影響は何か？

主な発見

• 7.7 kmのAR-HCFを介したエンタングルメント分配に成功し、偏光化効果により、concurrenceは0.9482 ± 0.0007から0.901 ± 0.006、純度は0.9493 ± 0.0008から0.875 ± 0.006に低下した。
• AR-HCFは140 psの時間ビン間隔まで高いエンタングルメント忠実度を維持したが、SMF28ファイバーではΔt ≈ 300 psで顕著な忠実度低下を示した。
• AR-HCFの低い色分散により、劣化を伴わずにより小さな時間ビン間隔が実現可能であり、時間ビンQKDプロトコルにおける高い鍵レートを可能にした。
• 小さなΔtにおける劣化の主な原因は色分散ではなく、検出器のジッターであることが判明し、色分散がAR-HCFの性能上限を決定づけているとは限らないことを示した。
• AR-HCFの低色分散（2 ps/nm·km）とほぼ光速の群速度は、低遅延かつ高帯域幅の量子通信に内在的な利点を提供した。
• 本結果は、AR-HCFが量子光源のネイティブ波長で動作可能な量子通信を実現できることを示しており、周波数シフトや高価なInGaAs-APDまたはSNSPDシステムの必要性を回避できることを示した。

Figure 2: Latency Measurements: a) The normalized arrival-time histogram between Photon 1 and 2 after transmission of the entangled time-bin qubit through either $7.7$ km of NANF (blue) or $7.8$ km SMF28 (red) fiber. The photons arrive $13.11\leavevmode\nobreak\ \mu$ s earlier when traversing the NA