[論文レビュー] Highly multimode visible squeezed light with programmable spectral correlations through broadband up-conversion

Federico Presutti, Logan G. Wright+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2024

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、赤外光に圧縮された状態を広帯域の断熱的周波数変換（AFC）により可視光帯域にシフトさせることで、400以上の周波数モード、1ショットあたり約700光子の高マルチモード可視圧縮光の生成を実証した。この手法により、スペクトル相関をプログラマブルに形状制御可能であり、1台のEMCCDカメラを用いた効率的で高精度な測定が可能となり、スケーラブルな周波数符号化量子情報処理へのコンactでリソースを最小限に抑えた道筋を提供する。

ABSTRACT

Multimode squeezed states of light have been proposed as a resource for achieving quantum advantage in computing and sensing. Recent experiments that demonstrate multimode Gaussian states to this end have most commonly opted for spatial or temporal modes, whereas a complete system based on frequency modes has yet to be realized. Instead, we show how to use the frequency modes simultaneously squeezed in a conventional, single-spatial-mode, optical parametric amplifier when pumped by ultrashort pulses. Specifically, we show how adiabatic frequency conversion can be used not only to convert the quantum state from infrared to visible wavelengths, but to concurrently manipulate the joint spectrum. This near unity-efficiency quantum frequency conversion, over a bandwidth >45 THz and, to our knowledge, the broadest to date, allows us to measure the state with an electron-multiplying CCD (EMCCD) camera-based spectrometer, at non-cryogenic temperatures. We demonstrate the squeezing of >400 frequency modes, with a mean of approximately 700 visible photons per shot. Our work shows how many-mode quantum states of light can be generated, manipulated, and measured with efficient use of hardware resources -- in our case, using one pulsed laser, two nonlinear crystals, and one camera. This ability to produce, with modest hardware resources, large multimode squeezed states with partial programmability motivates the use of frequency encoding for photonics-based quantum information processing.

研究の動機と目的

• マルチモード圧縮光を用いて完全に周波数モードに基づく連続変数量子系を実現すること。
• 可視帯域における高帯域幅・マルチモード量子状態の検出および制御の課題を克服すること。
• スペクトル相関を保持・制御する効率的で高スループットな量子周波数変換を実証すること。
• 1台のレーザー、2つの結晶、1台のカメラのみを用いた、大規模マルチモードガウス量子状態の実用的で低リソースな実装を可能とすること。

提案手法

• 1550 nmの近赤外帯で高マルチモード圧縮真空を生成するため、縮退型光パラメトリックアンプライファイア（DOPA）を用いる。
• 1033 nmのポンプを用いて広帯域の断熱的周波数変換（AFC）を適用し、圧縮状態を可視光帯（620 nm）に変換する。この過程で量子相関が保持される。
• ポンプのスペクトル的・時間的プロファイルを整形することで、出力の共同スペクトル構造を制御し、プログラマブルなスペクトル相関を実現する。
• 最終状態の測定には、周波数チャンクごとの光子数を検出可能な周波数分解能を有する電子増幅型CCD（EMCCD）カメラを用いる。
• 量子状態のインfraredから可視モードへの進化を、線形ユニタリ変換と分散共分散行列を用いてモデル化する。
• 検出効率およびダークカウントレートのパrameterを用いて、古典的シミュレーションの限界と照合することで、量子優位性の可能性を評価する。

Figure 4: Preparing the joint spectrum via frequency conversion. By pulse shaping the AFC pump $A(\omega_{\text{p}})$ , we can modify the linear unitary transformation $U$ performed by the AFC process, hence the state and the measured spectral photon-number correlations. The pump spectral intensity

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広帯域周波数変換を用いて、プログラマブルなスペクトル相関を持つ高マルチモード可視圧縮光を生成可能か？
• RQ2 断熱的周波数変換は、マルチモード圧縮状態のエンタングルメント構造をどの程度保持・制御できるか？
• RQ3 EMCCDを用いた周波数分解光子計数は、非冷却温度下で大規模マルチモード量子状態を高精度・高スループットに測定可能か？
• RQ4 ポンプ帯域幅は、変換されたマルチモード状態の接続性およびエンタングルメント構造にどのように影響するか？
• RQ5 現実的な検出器パrameterを持つEMCCDカメラを用いた場合、ガウスボソンサンプリングにおける実用的量子優位性の限界は何か？

主な発見

• 実験では、1ショットあたり平均して約700光子の可視圧縮光が400以上の周波数モードで生成された。
• 広帯域断熱的周波数変換が45 THzを超える変換帯域幅を達成し、これまでで最も広い帯域を実証した。
• ポンプの整形によりスペクトル相関を完全に制御可能であり、共同スペクトルのプログラマブルな操作が可能となった。
• 1台のEMCCDカメラの使用により、室温下で周波数分解光子計数が実現され、冷却装置を不要とした。
• シミュレーションにより、ポンプ帯域幅がエンタングルメント接続性に直接影響し、広帯域ポンプがより複雑なエンタングルメント構造を可能にすることが示された。
• 現実的なEMCCDパrameterを用いた場合、実験的セットアップは古典的シミュレーション可能な領域を逸脱しており、ガウスボソンサンプリングにおける量子優位性の可能性を支持する結果となった。

Figure A5: Photographs of the Experiment. The beam paths are overlaid. Beam color to wavelength legend: H TML]00CCCC 1550 H TML]996185 1033 H TML]AE4132 775 H TML]FFA500 620 H TML]82B366 516 nm. a. Pulse shaper. b. DOPA. c. AFC. d. Spectrometer. e. 775 nm pump generation. f. Monochromation and coinc