[論文レビュー] Fibre based hyperentanglement generation for dense wavelength division multiplexing

Panagiotis Vergyris, Florent Mazeas+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 38被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、周期的極化リン酸エステルナイト酸リチウム波導を備えたサジャック干渉計を用いて、通信波長帯における偏光およびエネルギー・タイム超もつれ光子対を完全にファイバー統合的に生成するソースを提示する。広帯域ソースを5つのDWDMチャネルに多重化することで、有効な量子チャネル容量が10倍に増加し、すべてのチャネルで27標準偏差を超える一般化ベル不等式の破れを実証した。これは、実用的な量子ネットワークに適した高精度の超もつれを確認するものである。

ABSTRACT

Entanglement is a key resource in quantum information science and associated emerging technologies. Photonic systems offer a large range of exploitable entanglement degrees of freedom such as frequency, time, polarization, and spatial modes. Hyperentangled photons exploit multiple degrees of freedom simultaneously to enhance the performance of quantum information protocols. Here, we report a fully guided-wave approach for generating polarization and energy-time hyperentangled photons at telecom wavelengths. Moreover, by demultiplexing the broadband emission spectrum of the source into five standard telecom channel pairs, we demonstrate compliance with fibre network standards and improve the effective bit rate capacity of the quantum channel up to one order of magnitude. In all channel pairs, we observe a violation of a generalised Bell inequality by more than 27 standard deviations, underlining the relevance of our approach.

研究の動機と目的

• 通信波長帯で超もつれ光子対を生成する完全にガイド波型でファイバー互換性を持つプラットフォームの開発。
• 超もつれ状態の密波分波多重（DWDM）を可能とし、量子チャネル容量を顕著に向上させること。
• 複数のDWDMチャネルにわたる偏光およびエネルギー・タイムもつれの同時かつ高精度な測定を実現すること。
• 一般化ベル不等式の破れと量子トモグラフィーによる真正の超もつれの検証を通じて、システムの実用性を検証すること。
• スケーラブルで高ビットレートな量子ネットワークを実現するため、従来のもつれソースの限界を、超もつれと多重化を組み合わせることで克服すること。

提案手法

• 周期的極化リチウニオブートン酸（PPLN）波導を備えた完全にファイバー結合されたサジャック干渉計が、自己非線形効果による自発的4波混合を用いて偏光もつれ光子対を生成する。
• ソースは1560 nm中心の広帯域発光を生成し、ファイバー型多重器を用いて5つの標準的な100 GHz ITUグリッドDWDMチャネル対にスペクトル分割される。
• エネルギー・タイムもつれの分析には不均衡なマハーズェンダ干渉計（MI）を、偏光もつれの分析にはヘリカル波面プレート（HWP）と偏光ビームスプリッタ（PBS）を用いる。
• すべてのチャネル対における一致検出により超もつれが確認され、検出は標準的な超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用いて実施される。
• 一般化ベル不等式のテストには、演算子 β = β₁ ⊗ β₂ を用い、β₁ と β₂ はそれぞれエネルギー・タイムと偏光の自由度におけるベル演算子を表す。
• 最大尤度トモグラフィーを用いて量子状態の忠実度を推定し、生成された超もつれ状態の品質を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にファイバー統合されたプラットフォームは、既存の光通信ネットワークに適合する通信波長帯で高精度の超もつれ光子対を生成可能だろうか？
• RQ2 超もつれ状態の波長分波多重は、量子通信チャネルの有効ビットレートをどの程度向上させるのか？
• RQ3 部品交換なしに、偏光およびエネルギー・タイムの複数のもつれ自由度を同時に測定できるか。これは忠実な状態同定を保証するか？
• RQ4 多重化された超もつれ状態における一般化ベル不等式の破れ度合いはどの程度で、真の量子非局所性を確認できるか？
• RQ5 一致率とスケーラビリティの観点から、多重化された超もつれソースは、従来の単一チャネルもつれソースと比較してどの程度優れているか？

主な発見

• すべての5つのDWDMチャネル対において、一般化ベル不等式の破れが27標準偏差以上に達し、真正の超もつれが確認された。
• エネルギー・タイムベル演算子の測定値は |⟨β₁⟩| = 2.69 ± 0.01、偏光演算子は |⟨β₂⟩| = 2.72 ± 0.02 であり、局所実在主義の限界値2を超えていた。
• 一致検出率はDWDM時で500 cps（5×100 cps）に達し、DWDMなしでは200 cpsに留まり、有効ビットレート容量の顕著な向上を示した。
• DWDMフィルタによる各光子あたり3 dBの追加損失が生じても、各チャネルあたりの対生成レートの上昇により、多重化方式が非多重化方式を上回った。
• 偏光およびエネルギー・タイム測定において、両方の可視度が≥98%を維持した。残存する可視度低下は偏光依存損失および非理想な波面プレートの挙動に起因する。
• 最大尤度トモグラフィーにより、高忠実度の超もつれ状態が確認され、観測されたベル不等式破れと整合する忠実度値が得られた。