[論文レビュー] Engineering large-scale entanglement in the quantum optical frequency comb: influence of the quasiphasematching bandwidth and of dispersion

Pei Wang, Wenjiang Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、光パラメトリックオシレータ（OPO）によって生成される量子光的周波数コンブにおける大規模連続変数もつれの限界を調査している。準位相一致帯域幅と分散がもつれスケーラビリティを共同で制限しており、分散を補償すれば理論的上限として6,700もつれqumodeが得られ、現在の装置では分散のため実用的な上限が3,200 qumodeに制限されている。

ABSTRACT

One of the most scalable methods for continuous-variable quantum computing is to encode quantum information in the quantum optical frequency comb generated by an optical parametric oscillator (OPO). The scalability is limited by the quasiphasematching bandwidth and dispersion of the OPO. We study both factors in this article. The results show that 3200 qumodes are probably entangled in our recent demonstration of a record 60-qumode entanglement.

研究の動機と目的

• OPOによって生成される量子光的周波数コンブ（QOFC）におけるもつれスケーラビリティの根本的限界を特定すること。
• 準位相一致（QPM）帯域幅と群速度分散がもつれqumodeの数に与える影響を調査すること。
• KTiOPO4結晶内の分散がOPO実験におけるもつれモード数を制限しているかどうかを評価すること。
• 分散補償が、もつれ生成のための準位相一致帯域幅の全潜在能力を回復させ、もつれスケールを向上させ得るかを評価すること。
• QPMと分散に基づく理論的スケーラビリティ限界と実験的60-qumodeもつれ記録を統合すること。

提案手法

• 周期的ポーリングされたKTiOPO4（PPKTP）結晶における準位相一致を用いた周波数混合（SFG）の理論的モデリングにより、QPM帯域幅を特徴づけること。
• ゆっくり変化する振幅近似と結合波方程式を用いて、結晶内での非線形光学的過程を記述すること。
• 群速度分散（GVD）とキャビティのずれを考慮した修正された結合モード方程式を用いたOPO分散の数値シミュレーション。
• 線形および二次分散効果を含む近似的な解析解を、共鳴モード周波数の導出に用いること。
• 理論的予測とSFG効率の実験的測定値を比較し、QPM帯域幅を特定すること。
• 分散条件下におけるPDC生成モードとOPOキャビティモードの重なりを評価することで、もつれqumodeの最大数を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 532 nm励起によるパラメトリックダウンコンバージョンに対して、1 cmの単一周期PPLN結晶における準位相一致帯域幅はどの程度か？
• RQ2 KTP結晶内の群速度分散が、OPOキャビティの共鳴モード間隔とPDC生成モードおよびOPOキャビティモードの重なりに与える影響は？
• RQ3 OPO実験におけるもつれqumodeの数を制限するのは、準位相一致帯域幅か、分散効果か、どちらか？
• RQ4 分散補償により、準位相一致帯域幅の潜在的全能力をどの程度回復できるか？
• RQ5 QPMと分散を両方考慮した現在のOPO装置で、理論的に達成可能なもつれqumodeの最大数はどの程度か？

主な発見

• 1 cmのPPKTP結晶における周波数混合のための準位相一致帯域幅は、最大効率の99%で4.74 THzであり、理論的に最大6,700もつれqumodeの実現が可能であることを示している。
• 実験的に測定されたQPM帯域幅は3.18 THzであり、レーザーの周波数可変範囲に制限されており、真の帯域幅の下限を示している。
• 群速度分散により、OPOキャビティの共鳴モードが不均等に間隔をあけるようになり、PDC生成モードとの重なりが減少し、共鳴増幅効果が低下する。
• 対称モードペアの平均周波数は、中心周波数から1モードペアあたり約7.77 Hzずれており、m ≈ 800モードで累積ずれが5 MHzに達する。
• 分散のため、有効なもつれqumode数は3,200に制限されるが、QPM帯域幅は6,700モードまで支持している。
• 分散補償により、PDCモードとOPOキャビティ共鳴モードが再整合され、6,700モードのもつれ生成潜在能力が回復可能である。