[論文レビュー] High-efficiency single-photon generation via large-scale active time multiplexing

Fumihiro Kaneda, Paul G. Kwiat|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、低損失の光源から得られる陽性化された単一光子を大規模で能動的時間多重化することで、高効率かつ区別不能な単一光子生成を実証した。可変遅延ラインを用いて40個の時間窓を多重化することで、記録的な66.7%のファイバー結合単一光子確率と約90%の区別不能性を達成し、スケーラブルな量子光物理学における多光子同時計数率が数個のオーダー向上した。

ABSTRACT

On-demand generation of indistinguishable single- and multi-photon states is a key technology for scaling up optical quantum information and communication applications. Nonlinear parametric photon-pair sources and heralded single-photon sources (HSPSs) had been the most standard resource of quantum information applications for decades. However, the intrinsic uncertainty of the produced number of photon pairs in such sources is a critical drawback that prevents on-demand photon-pair and heralded single-photon generation. Here we demonstrate large-scale time multiplexing of indistinguishable heralded single photons, employing a low-loss HSPS and adjustable delay line. We observed 66.7% presence probability of single-photon states collected into a single-mode optical fiber by multiplexing 40 periodic time bins of heralded single photons. To our knowledge, this is the highest fiber-coupled single-photon probability achieved to date. A high indistinguishability (~90%) of our time-multiplexed photons has also been confirmed. We also experimentally investigate trade-off relations of single-photon probability and unwanted multi-photon contribution by using different pump powers for a HSPS. Our results demonstrate that low-loss, large-scale multiplexing can realize highly efficient single-photon generation as well as highly scalable multi-photon generation from inefficient HSPSs. We predict that our large-scale time multiplexing will pave the way toward generation of > 30 coincident photons with unprecedented efficiencies, enabling a new frontier in optical quantum information processing.

研究の動機と目的

• 真性パラメトリック下変換（SPDC）光源の確率的性質を克服し、二対発生のための最大25%の確率制限を超える単一光子生成を実現する。
• スケーラブルな光子量子コンピューティングおよび量子通信に不可欠な高効率かつ高区別不能性の両立を達成する。
• 単一のHSPSと可変遅延ラインを用いて、陽性化された単一光子を大規模かつ低損失で時間多重化し、光子を1つの出力モードにルーティングすることを実証する。
• 多重化後にスペクトル的および時間的区別不能性を保持することで、高精度な多光子干渉を実現する。
• 30個を超える同時計数光子の生成が、前例のない効率で実現可能であると予測・実証し、量子優位性実験を前進させる。

提案手法

• 周期的ポーラライゼーションされたKTP結晶を用いた真性パラメトリック下変換（SPDC）に基づく低損失の陽性化単一光子源（HSPS）を用い、idler光子の検出により信号光子を陽性化する。
• 可変遅延ラインを用いて、ポンプ繰り返し周期τの整数倍の時間ずらしにより、40個の異なる時間窓にわたる時間窓多重化を実現する。
• フィeldプログラム可能なゲートアレイ（FPGA）が、ポケルスセルに基づく光スイッチを制御し、idler検出時刻に応じて40個の時間窓のいずれからでも陽性化信号光子を1つの出力ファイバー・モードにルーティングする。
• ポンプの繰り返し周波数を500 kHzに設定し、高効率の単一光子検出器を用いることで、多光子ノイズを最小限に抑え、陽性化確率を最大化する。
• ホン＝オウ＝マーティン干渉（HOMI）を用いて、多重化された光子と非多重化HSPSからの光子を干渉させ、区別不能性を測定する。
• 多重化陽性化確率は $ P_H = 1 - (1 - p)^N $ で計算され、ここで $ p $ は各モードごとの陽性化確率、$ N = 40 $ は時間窓の数である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模時間多重化は、従来のSPDC光源の25%という制限を超えて、単一モードファイバーへの単一光子生成確率を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 可変遅延ラインによる多重化後に、陽性化された単一光子の区別不能性はどの程度保持されるか？
• RQ3 HSPSのポンプ出力を変化させた場合、単一光子生成確率と多光子ノイズとのトレードオフはいかなるものか？
• RQ4 時間多重化HSPSは、ボソンサンプリングや量子ウォークなどのスケーラブルな量子優位性実験に必要な多光子同時計数率を達成できるか？
• RQ5 現在の最先端部品を用いた改良で、30光子または50光子の同時計数率をどの程度向上させられるか？

主な発見

• 40個の時間窓モードの陽性化光子を多重化することで、単一モードファイバーへの光子収率が記録的な66.7 ± 2.4%に達した。
• ホン＝オウ＝マーティン干渉を用いて、多重化光子の区別不能性が確認され、平均光子数μ = 0.004の条件下でバックグラウンド差し引き後の可視度が91 ± 4%であった。
• より高いポンプ出力（μ = 0.18）ではHOM可視度が77 ± 3%に低下したが、バックグラウンド補正後も区別不能性は約90%を維持しており、スペクトル的および時間的コhereneが保持されていることが示された。
• 10光子同時計数率は約10^4/秒に達し、非多重化SPDC光源（例：Wangら、2016年、約0.1/秒）と比較して5桁の向上を達成した。
• より高効率の単一光子検出器や性能向上部品を用いた実用的アップグレードにより、30光子同時計数率が約10^4/秒、50光子同時計数率が1/秒を超えると予測された。
• 本手法は、単一光子収率確率 $ P_1 $ において、過去の最大値約38.6%を上回る66.7%を達成し、他のすべての最先端光源を上回った。