[論文レビュー] Electro-optic Fourier transform chronometry of pulsed quantum light

Ali Golestani, Alex O. C. Davis+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、マハトン・インターフェロメータ内のチューナブルな電光スペクトルシアーを用いて、超短パルス（単一光子パルスを含む）の時間的エネルギーエンベロープを測定する線形で非選択的な手法、フーリエ変換クロノメトリーを提案する。この手法は、スペクトルシアー領域における干渉縞のフーリエ変換により高精度なパルス幅測定を実現し、独立して測定された値と3%以内で一致しており、低光強度および特異的波長領域への応用可能性も示している。

ABSTRACT

The power spectrum of an optical field can be acquired without a spectrally resolving detector by means of Fourier-transform spectrometry, based on measuring the temporal autocorrelation of the optical field. Analogously, we here perform temporal envelope measurements of ultrashort optical pulses without time resolved detection. We introduce the technique of Fourier transform chronometry, where the temporal envelope is acquired by measuring the frequency autocorrelation of the optical field in a linear interferometer. We apply our technique, which is the time-frequency conjugate measurement to Fourier-transform spectrometry, to experimentally measure the pulse envelope of classical and single photon light pulses.

研究の動機と目的

• 超短パルスの時間的エネルギー・エンベロープを測定するための線形的かつ非選択的な手法を開発すること。
• 従来の強度自己相関法が失敗する、単一光子パルスのような低光強度領域におけるパルス特性評価を可能にすること。
• 量子状態トモグラフィーの全般的なリソース要件を大幅に削減するため、強度エンベロープにのみ焦点を当てたリソース効率の良い代替手法を提供すること。
• 中心波長に依存しない性能と、光子ノイズに対して内在的に耐性を持つ特性を実現し、量子光学分野での応用における性能向上を図ること。

提案手法

• 線形位相変調を介して1つのアームにチューナブルな電光スペクトルシアーを適用したバランスド・マハトン・インターフェロメータを用いる。
• スペクトルシアー Ω をスキャンし、Ω に関する出力エネルギーの積分値 E(Ω) を測定することで干渉縞を取得する。
• E(Ω) を Ω に関してフーリエ変換することで、時間的強度プロファイル I0(t) を得る。この関係は FΩ{E(Ω)}(T) = E0δ(T) + ½I0(T−t0) + ½I0(−T+t0) で表される。
• 二次高調波発生などの非線形プロセスを避けるために、線形電光位相変調に依存する。
• 非分解能のバケット検出を用いることで、任意の光子統計や低強度場と相性が良くなる。
• この手法は、時間と周波数の役割を入れ替えたフーリエ変換分光法の時間周波数双対である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形光学的プロセスやスペクトル分解能の検出を必要とせずに、超短パルスの単一光子パルスの時間的エネルギー・エンベロープを測定可能か？
• RQ2 従来の手法と比較して、フーリエ変換クロノメトリーはパルス幅をどの程度の精度で再構成できるか？
• RQ3 測定系内でのスペクトル拡張や分散効果に対して、この手法はどの程度のロバストネスを示すか？
• RQ4 中赤外やテラヘルツ帯などの非伝統的中心波長のパルスに対しても、性能が低下することなく応用可能か？
• RQ5 この手法は内在的に光子ノイズに影響されず、量子情報処理応用に適しているか？

主な発見

• 測定されたパルスの時間的幅は、独立して測定された値と3%以内で一致しており、差異は主にスペクトルシアーに起因するスペクトル拡張に起因するとされた。
• パルス帯域幅の変更や分散の導入に対して、理論的予測と優れた一致を示した。
• 中心波長に依存せず、光子ノイズに対して内在的に耐性を持つため、低光強度および量子応用に適している。
• スペクトルシアー領域における干渉縞が高精度にフーリエ変換され、時間的強度エンベロープが良好に再構成された。
• 非分解能バケット検出器のみを用いることで、全量子状態トモグラフィーと比較してリソース要件を著しく削減できる。
• 薄膜リン酸ニッケル酸リチウム（LiNbO₃）電光変調器を用いることで、超広帯域および特異的波長パルスへのスケーラビリティが達成できる。