[論文レビュー] Generation of spectrally factorable photon pairs via multi-order quasi-phase-matched spontaneous parametric downconversion

Fumihiro Kaneda, Jo Oikawa+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、周期的 poled KTiOPO4 (PPKTP) 晶体における多階層準位相一致 (QPM) を用いて、スペクトル的に因数分解可能な光子対を生成する手法を示している。空間的に調整された非線形性プロファイルにより、標準的なポーリングプロセスを用いて、95%を超える単一光子スペクトル純度を達成した。この技術は、ガウス関数に近い位相一致関数を生成するように設計されており、高純度で低損失の光子対を実現する。高精度な製造工程を必要とせず、多光子量子情報処理用途に最適である。

ABSTRACT

For advanced quantum information technology, sources of photon pairs in quantum mechanically factorable states are of great importance for realizing high-fidelity photon-photon quantum gate operations. Here we experimentally demonstrate a technique to produce spectrally factorable photon pairs utilizing multi-order quasi-phase-matching (QPM) conditions in spontaneous parametric downconversion (SPDC). In our scheme, a spatial nonlinearity profile of a nonlinear optical crystal is shaped with current standard poling techniques, and the associated phase-matching function can be approximated to a Gaussian form. By the measurement of a phase-matching function and the second-order autocorrelation function, we demonstrate that telecom-band photon pairs produced by our custom-poled crystal are highly factorable with > 95% single-photon purity.

研究の動機と目的

• 超高精度なポーリング技術を必要としない、スケーラブルで再現性のあるスペクトル的に因数分解可能な光子対生成手法の開発。
• 量子情報システムにおける光子の不変性とゲート忠実度を制限する、自己発生的パラメトリック分割 (SPDC) ソースにおけるスペクトル相関の低減。
• 単一結晶内での多階層 QPM が、ガウス関数に近い位相一致関数を生成できることを示し、高スペクトル純度を実現可能であることを実証すること。
• JSA シミュレーションと二次自己相関測定を用いて、生成された光子対の高い因数分解性を検証すること。
• 最小限の効率損失で、わずかなスペクトルフィルタリングによる純度のさらなる向上の可能性を検討すること。

提案手法

• 標準的なポーリングプロセスを用いて、周期的 poled KTiOPO4 (CPKTP) 晶体に空間的に調整された非線形性プロファイルを設計し、多階層準位相一致 (QPM) 条件を達成した。
• 広帯域のポンプパルスと併用することで、群速度一致 (GVM) を実現し、スペクトル相関を最小限に抑えた。
• 周波数分解済み合成周波数生成 (SFG) を用いて位相一致関数を測定し、共同スペクトル振幅 (JSA) を特徴付けた。
• 実験的に測定した位相一致関数とガウス型ポンプエンVELOPEを用いて、スティーブンソン分解を用いてスペクトル純度を推定するための JSA シミュレーションを実施した。
• 信号モードの二次自己相関関数 $g^{(2)}$ を測定し、単一光子純度を独立に検証した。ここで $P = g^{(2)} - 1$ である。
• 信号およびイジールモードに 13-nm バンド幅のフラットトップスペクトルフィルタを適用し、JSA の周辺リブを選択的に抑制することで、純度を向上させつつ、ハーディング効率の損失を最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準ポーリングされた非線形結晶における多階層 QPM が、ガウス関数に近い位相一致関数を生成できることを示せるか？ これにより高スペクトル因数分解性が達成可能か？
• RQ2 高精度なポーリングを必要としないこの多階層 QPM アプローチを用いた通信帯 SPDC ソースで、どの程度の単一光子スペクトル純度が達成可能か？
• RQ3 測定された位相一致関数は理論的期待値とどの程度一致するか？ また、周辺リブの影響はスペクトル純度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 スペクトルフィルタリングを用いることで、純度をどの程度向上させられ、ハーディング効率をどの程度維持できるか？
• RQ5 この手法は実用的かつスケーラブルであり、既存の高効率光子収集体系と互換性があるか？

主な発見

• CPKTP 晶体の実験的測定位相一致関数は、主ピークが抑制された周辺リブを示し、高スペクトル因数分解性を実現した。
• 測定された位相一致関数と最適な 1.4 nm FWHM ポンプ帯域幅を用いたスペクトル純度推定値は 95.6% であり、95% を超える純度を達成した。
• 二次自己相関測定により、高純度が確認された。$P = g^{(2)} - 1$ の値は、シミュレーションによる推定値と良好に一致した。
• CPKTP 晶体の理論的モデリングでは、理想条件下で最大 97.5% のスペクトル純度が予測されたが、実験結果は主ピークが広がっており、測定関数のリブが大きいためわずかに低かった。
• 13-nm バンド幅のフラットトップフィルタを適用することで、スペクトル純度は 99.9% に向上し、スペクトルハーディング効率はわずか 0.5% 減少にとどまった。これにより、ほぼ理想の因数分解性への実用的道筋が示された。
• 標準的なポーリング技術を用いることで、高スペクトル純度を実現でき、多光子量子情報システムへの統合に向けたスケーラブルで再現性のある手法であることが示された。