[論文レビュー] Engineered optical nonlinearity for a quantum light source

Agata M. Brańczyk, Alessandro Fedrizzi+2 more|Queensland's institutional digital repository (The University of Queensland)|May 18, 2010

Photonic and Optical Devices被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、周期的ポーリングされたKTP結晶の非線形性プロファイルを設計することで、自己発生的パラメトリック下変換からの光子対の連合スペクトルアモリチュードを整形し、位相一致条件を変更せずにガウス型の位相一致関数を実現することを提案する。この手法により、特徴的なsinc関数の側 lobes を除去するための特徴付けられた非線形性を用いることで、高純度でスペクトル的に相関のない単一光子を生成可能となり、二光子干渉と数値シミュレーションにより、分離可能な連合スペクトルアモリチュードが確認された。

ABSTRACT

Single-photon pairs created in the nonlinear process of spontaneous parametric downconversion form the backbone of fundamental and applied experimental quantum information science. Many applications benefit from careful spectral shaping of the single-photon wave-packets. In this paper we tailor the joint spectral wave-function of downconverted photons by modulating the nonlinearity of a poled crystal without affecting the phase-matching conditions. We designed a crystal with a Gaussian nonlinearity profile and confirmed successful wave-packet shaping by two-photon interference experiments. We numerically show how our method can be applied for attaining one of the currently most important goals of single-photon quantum optics, the creation of pure single photons without spectral correlations.

研究の動機と目的

• 標準的な周期的ポーリングKTP結晶におけるsinc関数型の位相一致関数が原因で生じる、報知された単一光子源におけるスペクトル相関を克服すること。
• ソースで連合スペクトルアモリチュードを整形することにより、高純度な単一光子を生成する際にスペクトルフィルタリングの必要性を排除すること。
• 準位相一致結晶における特徴付けられた非線形性プロファイルを用いて、分離可能な、スペクトル的に純粋な単一光子状態を生成する方法を提示すること。
• 二光子干渉と連合スペクトルアモリチュード設計による数値シミュレーションを通じて、このアプローチを実験的に検証すること。

提案手法

• 高次ポーリングを用いて、離散的領域における有効非線形性を変化させることで、非一様で概ねガウス型の非線形性プロファイルを持つ結晶を設計する。
• 非線形性プロファイル χ(z) のフーリエ変換を用いて、位相一致関数 Φ(ωi, ωs) を整形し、ガウス型 ΦG(ΔkL/2) = exp(−γ(ΔkL/2)²) を目指す。
• 連合スペクトルアモリチュード f(ωi, ωs) ∝ α(ωi+ωs)Φ(ωi, ωs) を分離するために、周波数 μp のモノクローマチックポンプを用い、α をデルタ関数とする。
• 連続的なガウス型プロファイルを近似するため、異なるポーリング次数 m とドーティー・サイクルを用いた離散的ドメインポーリングにより、所望の非線形性を実現する。
• 基本的および詳細なモデルを用いて、得られた位相一致関数を理想ガウス関数および標準的なsinc関数と比較することで、この手法の妥当性を検証する。
• グループ速度一致と非線形性の設計を組み合わせることで、分離可能な連合スペクトルアモリチュードを実現し、フィルタリングを伴わずに純粋な単一光子状態を生成可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポーリング周期を変更せずに、非線形性プロファイルを変調することにより、周期的ポーリング結晶の位相一致関数をガウス型に設計できるか？
• RQ2 ガウス型の位相一致関数は、光子対におけるスペクトルの側 lobes を低減させ、結果としてスペクトル相関を排除できるか？
• RQ3 非線形性の設計により、連合スペクトルアモリチュードを分離可能にできるか？これにより、高純度の報知された単一光子が生成可能になるか？
• RQ4 連続的なガウス型非線形性プロファイルの離散的近似が、得られる位相一致関数に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 三角形型やトップハット型のプロファイルのような、他の形の位相一致関数を生成するために、この手法を拡張可能か？

主な発見

• 非一様な非線形性プロファイルを有するカスタムポーリングKTP結晶は、理論的および標準的なppKTP結晶の結果と比較することで、目的のガウス型に非常に近い位相一致関数を実際に達成したことが確認された。
• 二重ガウス関数の回転対称性のおかげで、連合スペクトルアモリチュードが分離可能となり、f(ωi, ωs) = g(ωi)h(ωs) の形をとった。これにより、スペクトル的に相関のない光子が実現された。
• 数値的シミュレーションにより、標準的なppKTP結晶がsinc関数型のPMFを示すのに対し、設計された結晶は側 lobes を持たない連合スペクトルアモリチュードを達成したことが示された。
• 二光子干渉実験により、波束形状の成功が確認され、設計されたスペクトルプロファイルと整合する高 visiblity 干渉が観測された。
• ガウス型PMFのおかげで、フィルタリングを必要とする側 lobes が排除されるため、スペクトルフィルタリングを伴わずに高純度な単一光子を生成可能となる。
• 非線形性プロファイルを適切に調整することで、三角形型やトップハット型のプロファイルのような他の形の位相一致関数への応用も可能である。