[論文レビュー] Quantum and classical telecommunication channel multiplexing

Andreas Lenhard, José Brito+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Quantum optics and atomic interactions被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1本の通信ファイバーを介してCバンドにおける古典的レーザーパルスとOバンドにおける周波数変換済み単一光子を同時に多重化することを示している。自己励起光子と周波数変換を用いて、陽性に検出された量子信号と古典的信号の時間相関を保持し、20 kmの伝送で低バックグラウンド、相関のある伝送を実現した。理論的予測と一致する43 nsの遅延シフトを達成した。

ABSTRACT

We demonstrate the multiplexing of a classical coherent and a quantum state of light in a single telecommunciation fiber. For this purpose we make use of spontaneous parametric down conversion and quantum frequency conversion to generate photon pairs at 854 nm and the telecom O-band. The herald photon triggers a telecom C-band laser pulse. The telecom single photon and the laser pulse are combined and coupled to a standard telecom fiber. Low background time correlation of the classical and quantum signal behind the fiber shows successful telecommunication channel multiplexing.

研究の動機と目的

• 既存の通信インfraストラクチャを用いて、1本のファイバー内で古典的および量子通信チャネルの共存を可能にすること。
• 量子メモリと互換性のある波長（854 nm）における高い損失を、量子周波数変換により低損失のOバンドに変換することで克服すること。
• 周波数変換とファイバー伝送を介して、量子信号と古典的信号の時間相関を保持すること。
• 標準的なファイバーと最小限の改造で、量子ネットワークノード間の接続の実用的妥当性を示すこと。
• ゲート検出とスペクトルフィルタリングにより、クロストークや検出器効果に起因するバックグラウンドノイズが抑制可能であることを検証すること。

提案手法

• 自己励起パラメトリック下変換（SPDC）により、854 nmでエンタングルド光子対を生成し、そのうち1つの光子を非線形波ガイドを用いてOバンド（1310 nm）に周波数変換する。
• 854 nmの光子が陽性信号として機能し、30 nsの矩形レーザーパルスをCバンド（1550 nm）に発生させ、古典的クロック信号として使用する。
• 周波数変換されたOバンド光子とCバンドレーザーパルスを合成し、標準的なシングルモードファイバー（SMF-28e）に結合する。
• Oバンドには超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SSPDs）、Cバンドには通常のフォトダイオードを用いて時間相関検出を実施する。
• ゲート検出を適用してバックグラウンドおよびクロストークからの信号ピークを分離し、ゲートタイミングを予想される一致窓に合わせる。
• ファイバー分散の影響を評価するため、異なるファイバー長でのOバンドとCバンド光子間の時間遅延およびパルス幅拡張を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的レーザーパルスと周波数変換済み単一光子が、時間相関を保持したまま1本の通信ファイバーに多重化可能か？
• RQ2 ファイバー分散がOバンドおよびCバンド信号の相対的タイミングに与える影響はどの程度で、これを補正または補正可能な範囲にできるか？
• RQ3 標準ファイバーを介して伝送されるSPDC光子の時間相関が、量子周波数変換によって保持されるか？
• RQ4 検出器のデッドタイムおよび飽和が、観測された一致ピークの形状および可視度に与える影響は？
• RQ5 レーザーパルスが単一光子チャネルに漏れ込むクロストークが、実際の環境で効果的に抑制可能か？

主な発見

• OバンドとCバンド信号間の遅延シフトは、1.861 ± 0.004 ns/km であった。これはファイバー分散に基づく理論的予測と一致した。
• 20 kmのファイバー伝送においても、陽性に検出されたOバンド光子とCバンドレーザーパルスの時間相関ピークが保持された。中心質量シフトは43 nsであり、この長さでの予想される37.2 nsの遅延と一致した。
• 20 km伝送における一致ピークの基底幅は34 nsであり、期待値（30 nsのレーザーパルス + 20 km × 108 ps/km）の32 nsとよく一致した。
• 一致トレースに観察された三重ピーク構造は、検出器のデッドタイム（約10 ns）およびレーザーパルスに含まれる多光子成分に起因する飽和効果に起因すると特定された。
• 244 ns遅延ファイバーを用いて、レーザーパルスがOバンド検出チャネルに漏れ込むクロストークを特定・分離した。これにより、主な信号ピークが明確に分離され、相関していることが確認された。
• ゲート検出によりバックグラウンドノイズが効果的に抑制され、真の信号と偶然の一致および検出器アーチファクトの分離が可能になった。