[論文レビュー] Exploring the limits of multiplexed photon-pair sources for the preparation of pure single-photon states

Robert J. A. Francis-Jones, Peter J. Mosley|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、現実的な検出器非効率性および光学的損失を考慮した上で、空間多重化された光子対光源を用いて決定的単一光子生成に近づくことを検討している。最適化されたポンプパワーと検出器タイプを用いることで、高効率のPNR検出器を用いた16系統の多重化により、信号対雑音比（SNR）100を達成でき、8つのヘラルド光子を入手するまでの待機時間を300年から数分に短縮する。これにより、量子技術分野における実用的で高性能な光源が実現可能となる。

ABSTRACT

Current sources of heralded single photons based on nonlinear optics operate in a probabilistic manner. In order to build quantum-enhanced devices based around the use of single photons, compact, turn-key and deterministic sources are required. A possible solution is to multiplex a number of sources to increase the single-photon generation probability and in so doing reducing the waiting time to deliver large numbers of photons simultaneously, from independent sources. Previously it has been shown that, in the ideal case, 17 multiplexed sources allow deterministic generation of heralded single photons [Christ and Silberhorn, Phys. Rev. A 85, 023829 (2012)]. Here we extend this analysis to include undesirable effects of detector inefficiency and photon loss on a number of multiplexed sources using a variety of different detectors for heralding. We compare these systems for fixed signal-to-noise ratio to allow a direct comparison of performance for real- world heralded single photon sources.

研究の動機と目的

• 検出器非効率性および光学的損失という現実的条件下における多重化光子対光源の性能限界を評価すること。
• ヘラルド単一光子生成確率を最大化するとともに高い信号対雑音比（SNR）を維持するための最適な光源数とポンプパワーを特定すること。
• 損失のある条件下で、バイナリ、擬似PNR、真のPNRの各検出器タイプを比較し、実装に最も適した構成を同定すること。
• 非多重化光源と比較して、多重化システムを用いることで、複数のヘラルド単一光子を供給するまでの待機時間がどの程度短縮されるかを定量すること。
• 実現可能な部品効率を用いて、将来の多重化単一光子光源を最適化するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本研究では、1つの光子のヘラルド検出が、もう1つの光子を共通出力へルーティングするための光学スイッチネットワークを用いて、空間多重化された光子対光源をモデル化している。
• スイッチおよび検出器における現実的な損失を組み込み、検出器効率（ηd）、スイッチ効率（ηs）、ヘラルド効率（ητ）を主なパラメータとして用いている。
• 信号対雑音比（SNR）を主な性能指標として用い、単一光子状態と多光子状態の比として定義している。
• 数値シミュレーションを実施し、光源数や検出器タイプの異なるさまざまな構成における、1パルスあたりのヘラルド確率を計算している。
• 平均光子数（μ）とそのペア生成確率への影響を考慮しており、熱的分布の制限（μth(1) = 0.25）に従っている。
• Np個の独立したヘラルド単一光子を供給するまでの待機時間は、式（15）を用いて計算され、固定SNR = 100における非多重化および多重化システムを比較している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出器非効率性および光学的損失は、純粋な単一光子状態を生成するための多重化光子対光源の性能にどのように影響するか？
• RQ2 SNRを100に固定した場合、最適な光源数とポンプパワーは何か？ これは、ヘラルド確率を最大化するとともに、高いSNRを維持するためのものである。
• RQ3 多重化は常に性能を向上させるのか、それとも部品損失および検出器制限に起因するトレードオフがあるのか？
• RQ4 バイナリ、擬似PNR、真のPNRの各検出器タイプは、多重化システムにおける達成可能なSNRおよび待機時間にどのように影響を与えるか？
• RQ5 非多重化光源と比較して、多重化は複数のヘラルド単一光子を供給するまでの待機時間をどの程度短縮できるか？

主な発見

• 高効率のPNR検出器（ηd = 98%, ητ = 99%, ηs = 95%）を用いた16系統の多重化により、現実的条件下で決定的動作に近い信号対雑音比100を達成できる。
• SNRが100の場合、平均光子数が低いことから、検出器効率が約70%に制限される状況では、常に可能な限り多くの光源を多重化することがほぼ常に有益である。
• 8つのヘラルド単一光子を供給するまでの待機時間は、8つの独立した非多重化光源では約300年であるが、PNR検出器を用いた16系統の多重化により数分に短縮される。
• 70%の検出器効率でさえも、16系統の多重化とPNR検出器を組み合わせることで、8光子の待機時間を10分未満に短縮でき、顕著な実用的改善が示された。
• ポンプパワーが最適に設定されていない場合、損失の累積および検出器制限の影響により、ある閾値を超えて光源数を増やしても性能が向上しないことがあることが判明した。
• 結果として、現実の部品の不完全性は、理想化されたモデルと比較して性能を低下させるが、多重化は近似的に決定的単一光子光源への実現可能性を保証する道筋であることが確認された。