[論文レビュー] Quantum storage of 1650 modes of single photons at telecom wavelength

Shihai Wei, Bo Jing+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、10mの冷却されたイットルビウムドープシリカ繊維を用いた原子周波数コンブ（AFC）プロトコルにより、1532 nmの光通信波長帯で1650モードの光量子メモリを実現した。5つの10 GHz帯域のスペクトルチャンネルを用い、各チャンネルが最大330個の時間的モードをサポートすることで、同時かつ複数モードにわたる陽性に検出された単一光子の記録に成功し、高レートでファイバーに準拠した量子ネットワークへの重要な一歩を示した。

ABSTRACT

To advance the full potential of quantum networks one should be able to distribute quantum resources over long distances at appreciable rates. As a consequence, all components in the networks need to have large multimode capacity to manipulate photonic quantum states. Towards this end, a multimode photonic quantum memory, especially one operating at telecom wavelength, remains a key challenge. Here we demonstrate a spectro-temporally multiplexed quantum memory at 1532 nm. Multimode quantum storage of telecom-band heralded single photons is realized by employing the atomic frequency comb protocol in a 10-m-long cryogenically cooled erbium doped silica fibre. The multiplexing encompasses five spectral channels - each 10 GHz wide - and in each of these up to 330 temporal modes, resulting in the simultaneous storage of 1650 modes of single photons. Our demonstrations open doors for high-rate quantum networks, which are essential for future quantum internet.

研究の動機と目的

• 既存の光通信インfraに準拠した高容量・長距離量子ネットワークの実現を目的とする。
• 光通信波長帯における光量子メモリのマルチモード容量制限の課題を克服することを目的とする。
• スペクトル的および時間的自由度にわたる多数の単一光子モードを同時に記録することを目的とする。
• 高容量かつ低クロストークを実現する実用的でファイバーに準拠した量子メモリの実現を目的とする。
• マルチモード量子メモリを基盤とする将来の量子インターネットの開発を促進することを目的とする。

提案手法

• 10mの冷却されたイットルビウムドープシリカ繊維（EDF）に原子周波数コンブ（AFC）プロトコルを実装する。
• 光周波数コンブと周波数チーピングを用いて、5つの5 GHz間隔の10 GHz帯域のスペクトルチャンネルに分割する。
• 非放射的遷移を低減し、記録寿命を延長するために、イットルビウムドーピング濃度を低く抑えた10mのEDFを用いる。
• インピーダンス整合型のインフィバー・ブロッホ反射鏡（DBRミラー）を用いてキャビティを形成し、光-物質相互作用を強化し、記録効率を向上させる。
• 磁場を印加して安定化させた恒久的ホールを形成するため、イットルビウムイオンのゼーマン準位を長寿命記録状態として用いる。
• 信号光子の記録開始までの待機時間を200 msに最適化し、自発的放出に起因するバックグラウンドノイズを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光通信波長帯で高容量記録を実現できるマルチモード光量子メモリを実現可能か？
• RQ2 長尺で冷却されたEDFにおける原子周波数コンブ（AFC）プロトコルが、1650個の時間的・スペクトル的モードを同時に記録できるか？
• RQ3 このようなシステムにおける異なるスペクトル的・時間的モード間のクロストークレベルはどの程度か？
• RQ4 インピーダンス整合型のインフィバーキャビティの使用が、記録効率および寿命をどのように向上させるか？
• RQ5 記録中の自発的放出に起因するノイズを最小限に抑える最適な待機時間は何か？

主な発見

• 1532 nmの陽性に検出された単一光子の1650個の異なるスペクトル的・時間的モードが、高い忠実度と低クロストークで効率的に記録された。
• 全1650モードにわたるg(2)(0)測定により、異なるスペクトルチャンネル間のクロストークは無視できるほど小さいことが確認された。
• 0.2 Tの磁場下で、スペクトル整形に用いられるゼーマン準位の寿命は0.278 ± 0.035 sに達し、安定的なAFC形成が可能となった。
• 光子記録前の待機時間を200 msに最適化し、自発的放出に起因するバックグラウンドカウントを最小限に抑えた。
• 全1650モードペアの測定されたg(2)(0)値は1に近く、光子の束縛がほとんどなく、良好な単一光子性を示した。
• インピーダンス整合型のインフィバーDBRキャビティの使用により、光-物質相互作用が強化され、コンactなファイバー統合型プラットフォーム上で高効率記録が実現された。