[論文レビュー] Linear multiport photonic interferometers: loss analysis of temporally-encoded architectures

Haoyu Qi, L. G. Helt+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、線形多ポート光干渉計に時間的に符号化されたチェーンループ構造を提案し、空間的および二重ループ構造と比較してその損失性能を分析する。実証により、リチウムニオブ酸ガラス基板上に再構成可能なビームスプリッタと遅延ループを連結させた構造が、低い損失と優れた統合可能性のおかげで既存の設計を上回ることを示し、量子および古典的光通信応用へのスケーラブルな道筋を提供する。

ABSTRACT

Implementing spatially-encoded universal linear multiport interferometers on integrated photonic platforms with high controllability becomes increasingly difficult as the number of modes increases. In this work, we consider an architecture in which temporally-encoded modes are injected into a chain of reconfigurable beamsplitters and delay loops, and provide a detailed loss analysis for this and other comparable architectures. This analysis also yields a straightforward and explicit description of the control sequence needed for implementing an arbitrary temporally-encoded transformation. We consider possible physical implementations of these architectures and compare their performance. We conclude that implementing a chain of reconfigurable beamsplitters and delay loops on an integrated lithum niobate platform could outperform comparable architectures in the near future.

研究の動機と目的

• 大規模かつ再構成可能な線形多ポート干渉計を統合光回路に実装する課題に取り組み、高い制御性と低い損失を実現すること。
• 時間的符号化アーキテクチャ、特にチェーンループおよび二重ループシステムの損失分析フレームワークを構築し、空間的符号化された対応構造と直接比較可能にする。
• ループベースの干渉計の物理的実装（自由空間およびチップベース）が、現実的な損失条件下でどのように性能を発揮するかを評価すること。
• 特にリチウムニオブ酸ガラスを含む最適なプラットフォーム技術を同定し、量子および古典的応用に向けた低損失でスケーラブルな干渉計を実現すること。

提案手法

• 時間的符号化により光学モードを符号化することで、N−1個の再構成可能ビームスプリッタと遅延ループを用いたチェーンループ構造を提案し、普遍的なユニタリ変換を実現する。
• ループベースのアーキテクチャを等価な空間的符号化構成にマッピングすることで、直感的で効果的な損失式を導出し、損失の簡単な比較を可能にする。
• 解析的および数値的手法を用いて、損失式がすべての光学経路における平均損失を信頼できるヒューリスティック近似として提供することを検証する。
• 伝搬損失、結合損失、スイッチ／ビームスプリッタの挿入損失といった物理的損失要因をモデル化することで、二重ループおよびチェーンループ構造を比較する。
• 自由空間および統合光回路実装を評価し、リチウムニオブ酸ガラスやシリコンなどのプラットフォームにおける現実的な損失パラメータに焦点を当てる。
• 時間的符号化パルスを用いた任意のユニタリ変換を実装するための制御シーケンスを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的符号化されたチェーンループ干渉計における全体的な損失は、空間的符号化または二重ループ構造と比べてどのように異なるか？
• RQ2 ループベースの干渉計における支配的な物理的損失メカニズムは何か。それらは定量的にどのようにモデル化できるか？
• RQ3 現実的な物理的制約下で、チェーンループ構造は二重ループ構造よりも低い有効損失を達成できるか？
• RQ4 特にリチウムニオブ酸ガラスのような統合光回路プラットフォームの中で、チェーンループ構造を実装するにあたり、最も望ましい損失性能を示すのはどれか？
• RQ5 時間的符号化システムにおいて、任意のユニタリ変換を実装するための制御シーケンスを明示的に導出する方法は何か？

主な発見

• 統合プラットフォーム上に実装された場合、チェーンループ構造は二重ループ構造よりも全体的な損失が低くなる。特に伝搬損失および結合損失が低い場合に顕著である。
• 提案された損失式は、解析的および数値的分析によって検証され、干渉計の平均損失を信頼できるヒューリスティック近似として提供する。
• リチウムニオブ酸ガラスプラットフォームは、低伝搬損失と高い再構成性を示すビームスプリッタのおかげで、チェーンループ構造の実装において他の統合プラットフォームを上回ると予測される。
• ループベースのアーキテクチャの有効損失は、空間的符号化設計のものにマッピング可能であり、直接的なベンチマークと比較が可能になる。
• 測定誘発非ガウスゲートと組み合わせることで、チェーンループ構造は普遍的量子計算を実現可能であり、スケーラブルな量子情報処理を可能にする。
• 本手法により、時間的符号化システムにおける任意のユニタリ変換を実装する明示的で簡単な制御シーケンスが可能となり、実装の実用性が向上する。