[論文レビュー] Fiber-Optic Sources of Quantum Entanglement

Prem Kumar, X. Li+4 more|ArXiv.org|Sep 20, 2002

Quantum Information and Cryptography参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、標準通信ファイバーで駆動される2つの直交偏光・遅延されたパルスを用いた非線形ファイバー・サジャック干渉計を用いて、偏光もつれ光子対の全ファイバー型光源を提示する。2つの別々のポンプパルスから生成される信号光子とイジール光子の同一性を活用することで、90%を超える可視度を達成する二光子干渉を実現し、1.5 μm帯における量子通信用途に適した高精度な量子もつれを実証する。

ABSTRACT

We present a fiber-based source of polarization-entangled photon pairs that is well suited for quantum communication applications in the 1.5$μ$m band of standard telecommunication fiber. Quantum-correlated signal and idler photon pairs are produced when a nonlinear-fiber Sagnac interferometer is pumped in the anomalous-dispersion region of the fiber. Recently, we have demonstrated nonclassical properties of such photon pairs by using Geiger-mode InGaAs/InP avalanche photodiodes. Polarization entanglement in the photon pairs can be created by pumping the Sagnac interferometer with two orthogonally polarized pulses. In this case the parametrically scattered signal-idler photons yield biphoton interference with $>$90% visibility in coincidence detection, while no interference is observed in direct detection of either the signal or the idler photons.

研究の動機と目的

• 標準通信インfraストラクチャと互換性のあるファイバー基盤の量子もつれ光子対光源の開発。
• バルク結晶ベースの光源の制限を克服し、全ファイバー構成で高いモード純度を達成すること。
• ファイバー部品と標準的な光ファイバー非線形性のみを用いて偏光もつれを実現すること。
• 実用的でスケーラブルなプラットフォームにおいて、非古典的量子相関を検証可能な高可視度の二光子干渉を達成すること。

提案手法

• 非退一行四波混合を用いて信号光子とイジール光子対を生成する非線形ファイバー・サジャック干渉計（NFSI）を用い、分散シフトファイバー（DSF）を用いる。
• ゲーティング検出を可能にし、バックグラウンドノイズを低減するため、75.3 MHzの繰り返しレートで約3 psのパulsesを持つモードロックポンプ光源を採用する。
• 信号およびイジールチャネルにおける同一の下変換イベントを生成するために、2つの直交偏光・時間的に遅延されたポンプパルスでサジャックループを駆動する。
• 自由空間二重グレーティングスペクトルフィルタを用いてポンプ対信号の抑制度を100 dB以上に達成し、単一光子レベルの検出を可能にする。
• 一致検出のため、ゲーティング・ゲージモードのInGaAs/InP雪崩光電ダイオードを用いる。
• 相対的なポンプパルス間の位相差を変化させながら、信号およびイジール腕での一致計数をモニタリングすることで干渉可視度を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準通信ファイバーを用いた完全なファイバー基盤システムで偏光もつれ光子対を生成できるか？
• RQ2 サジャック干渉計内で2つの直交偏光ポンプパルスを用いた場合、一致検出における干渉可視度はどの程度達成できるか？
• RQ3 単一光子レベルでの非古典的相関測定により、生成された光子対の量子的性質を検証できるか？
• RQ4 全ファイバー設計は、バルク結晶ベースの光源と比較してどの程度モード純度を維持できるか？
• RQ5 システムは、古典的バックグラウンドノイズおよび誤った一致をどの程度低減し、高精度なもつれ検出を可能にするか？

主な発見

• 2つの直交偏光ポンプパルス間の相対位相差をスキャンした際、一致検出において90%を超える二光子干渉可視度を達成した。
• 単一チャネル検出では位相依存の信号またはイジール計数率は観測されず、一致でのみ干渉が発生することを確認し、非古典的挙動の特徴であることを裏付けた。
• 測定された一致率はポンプ位相に対して正弦関数的依存を示し、古典的干渉縞の周期の半分の周期を持つことから、二光子の量子干渉を確認した。
• 信号およびイジール光子数がポンプ光子数の2次関数的依存を示すことで、線形散乱に比べて支配的な4光子混合が発生していることが確認され、フィッティングされた2次係数s₂ > s₁が得られた。
• ゲーティング検出およびスペクトルフィルタリングにより、誤った一致計数が最小限に抑えられ、信号対ノイズ比が2桁向上した。
• 本システムは、標準通信ファイバーとファイバー部品および標準的な非線形性のみを用いて偏光もつれを生成できることを実証し、スケーラブルな量子ネットワークの実現を可能にした。