[論文レビュー] Generation of Pure-State Single-Photon Wavepackets by Conditional Preparation Based on Spontaneous Parametric Downconversion

Alfred B. U’Ren, Christine Silberhorn+5 more|ArXiv.org|Nov 2, 2006

Photonic and Optical Devices被引用数 49

ひとこと要約

本論文は、超短パルスを用いた自己誘導性パラメトリック下変換（PDC）を用いた条件付き準備により、純粋な単一光子波束を生成する手法を提案する。結晶を偏光性スペーサーで積層することでスペクトル的・時間的相関を制御し、スペクトル的に分解可能な二光子状態を実現した。これにより、スペクトル的相関のないホールドされた単一光子が得られ、線形光学量子計算における高精度な量子干渉に不可欠である。

ABSTRACT

We study the conditional preparation of single photons based on parametric downconversion, where the detection of one photon from a given pair heralds the existence of a single photon in the conjugate mode. We derive conditions on the modal characteristics of the photon pairs, which ensure that the conditionally prepared single photons are quantum-mechanically pure. We propose specific experimental techniques that yield photon pairs ideally suited for single-photon conditional preparation.

研究の動機と目的

• PDCベースのシステムにおける条件付き準備により、量子力学的に純粋な単一光子状態を実現すること。
• 条件付きで準備された単一光子の純度を低下させる要因となるスペクトル的および空間的相関を排除すること。
• 特に周期的ポーリング結晶と偏光性スペーサーを用いた積層技術を考案し、スペクトル的に分解可能な二光子状態を実現すること。
• 損傷を伴うフィルタリングに依存せずに、複数光源量子ネットワークにおける高可視性の量子干渉を実現すること。
• 複数の光源から同時に光子を生成する確率を向上させることで、スケーラブルな線形光学量子計算を支援すること。

提案手法

• 周波数および横方向モードの波数を変数とする多モード形式を用いて、系の完全な量子状態を記述する。
• 片方の光子を検出することで条件付きに単一光子を準備する過程を、射影演算子形式でモデル化する。
• 群速度不一致を制御し、スペクトル的自由度を分離するため、周期的ポーリング結晶と偏光性スペーサーを交互に配置する新技術を提案する。
• 条件付き測定後に純粋な単一光子状態を達成するためには、連関強度のスペクトル的分解可能性が不可欠であることを示す。
• 二光子状態が周波数および横方向運動量において分離可能となるように、スペクトル振幅関数を設計する手法を導入し、純粋性を保証する。
• 位相整合条件およびポンプ帯域幅が、放出される光子のスペクトル的・時間的構造に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PDCによって生成される光子対におけるスペクトル的および時間的相関を排除することで、純粋な単一光子状態の準備が可能になるか？
• RQ2 スペクトル的相関がなく、真に純粋な状態となる条件付きで準備された単一光子を実現するための実験的構成は何か？
• RQ3 ポンプ光と下変換光子間の群速度不一致をどのように制御すれば、スペクトル的に分解可能な二光子状態を達成できるか？
• RQ4 偏光性スペーサーを介した複数の結晶を用いることで、より一般的なスペクトル的エンジニアリングが可能な二光子状態を実現できるか？
• RQ5 スミット分解が、条件付きで準備された単一光子の純度を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• PDC光子対からの条件付き準備によって単一光子状態が純粋になるのは、スペクトル的および空間的モードを含むすべての自由度に相関がない場合に限る。
• ホールドされた単一光子波束を達成するためには、連関強度のスペクトル的分解可能性が必須条件である。
• 周期的ポーリング結晶と偏光性スペーサーの組み合わせにより、群速度不一致を精密に制御でき、スペクトル的相関を抑制できる。
• 結晶とスペーサーの相対的厚さを調整するだけで、スペクトル的に分解可能な二光子状態を生成でき、スペクトルフィルタリングを不要にする。
• この手法により、複数の光源から同時に光子を生成する確率が数個のオーダー向上し、スケーラブルな量子ネットワークにおいて極めて重要である。
• 空間的およびスペクトル的フィルタリングの必要性が排除され、これにより真空中の寄与による生成効率の低下と忠実度の劣化が回避される。