[論文レビュー] Spatial characterization of photonic polarization entanglement using a Tpx3Cam intensified fast-camera

Christopher Ianzano, P. Švihra+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、強化型Tpx3Cam高速カメラを用いて、光子の偏光もつれ状態の高時空間分解能・高時間分解能の特徴付けを実現した。この手法により、ナノ秒時間分解能と1マイクロメートル未満の空間精度を有するリアルタイムで並列なベル不等式パラメータの測定が可能となり、1秒あたり約10⁷個の光子を通過させることで、スケーラブルな量子ネットワークベンチマーク手法を提供する。

ABSTRACT

Scalable technologies to characterize the performance of quantum devices are crucial to creating large quantum networks and quantum processing units. Chief among the resources of quantum information processing is entanglement. Here we describe the full temporal and spatial characterization of polarization-entangled photons produced by Spontaneous Parametric Down Conversions using an intensified high-speed optical camera, Tpx3Cam. This novel technique allows for precise determination of Bell inequality parameters with minimal technical overhead, as well as novel characterization methods of the spatial distribution of entangled quantum information. This could lead to multiple applications in Quantum Information Science, opening new perspectives for the scalability of quantum experiments.

研究の動機と目的

• 空間的および時間的両面で偏光もつれ光子をリアルタイムでスケーラブルに特徴付ける手法の開発。
• 低フレームレートおよび高冷却要件を伴う従来の単一光子カメラの限界を克服すること。
• ベル不等式の破れなどのもつれパラメータを並列で高スループットで測定すること。
• 高速でデータ駆動型のカメラを大規模な量子情報処理およびネットワーク特徴付けに用いる可能性の検討。
• 実験的量子オプティクス分野における量子状態ベンチマーク手法としてのTpx3Camのコンactで高精度なツールとしての可能性を実証すること。

提案手法

• 高エネルギー物理学分野で開発されたTpx3Camを、単一光子感度を実現するための画像強化器と統合することで、量子オプティクス用途に適応化した。
• カメラは個々の光子の到着時刻をナノ秒レベルでタイムスタンプし、55×55 µm²の空間分解能を達成することで、もつれ光子対の正確な時空間マッピングが可能となった。
• 405 nmのポンプレーザーとタイプIのBBO結晶を用いた自己誘導非線形効果（SPDC）により、810 nmの偏光もつれ光子対が生成された。
• 光子対はファイバー結合され、モードマッチングされた後、強化型Tpx3Camで検出され、各光子の空間的位置と到着時刻が高信号対雑音比で記録された。
• データ駆動型のリードアウトアーキテクチャにより、最大で約10⁷個の光子/秒のスループットが達成され、従来のEMCCDやsCMOSカメラをはるかに上回った。
• ベル不等式パラメータは、カメラセンサーの部分領域ごとの空間的分解能を有する光子統計から抽出され、複数のもつれ状態の並列分析が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強化型高速カメラTpx3Camは、光子の偏光もつれ状態のリアルタイムで高分解能の空間的・時間的特徴付けを可能にするか？
• RQ2 Tpx3Camの高い光子スループット（約10⁷個/秒）は、従来の単一光子カメラと比較して、もつれベンチマークの効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 カメラのナノ秒時間分解能と空間精度により、逐次走査や複数の検出器を用いずに、ベル不等式パラメータの正確な決定が可能か？
• RQ4 カメラが1フレームに複数の光子イベントを解像できることで、SPDC源からの高次元のSPDC過程や多光子相関の検出がどの程度可能になるか？
• RQ5 この装置は、大規模な量子ネットワークにおいて、複数のもつれ光子ビームや量子メモリーシステムを同時に並列でモニタリングできるか？

主な発見

• Tpx3Camは1秒あたり約10⁷個の光子を検出するスループットを達成し、従来のEMCCDやsCMOSカメラと比較して数桁の改善を示した。
• カメラはナノ秒レベルの時間分解能（1.5 ns）と55×55 µm²の空間分解能を有し、個々の光子の正確な時空間タグ付けが可能となった。
• 空間的分解能を有する光子統計からベル不等式パラメータが最小限の技術的負荷で成功裏に測定され、もつれ状態の特徴付けの有効性が確認された。
• センサーの独立した部分領域を分析することで、少なくとも100本の光子ビームを並列に処理でき、スケーラブルな量子状態モニタリングが可能となった。
• カメラのデータ駆動型アーキテクチャにより、従来の画像処理システムで見られるフレームレート制限がないリアルタイムで継続的な取得・分析が可能となった。
• 本手法により1フレームに複数の光子が検出可能となり、SPDC源からの多光子放出イベントの同定に潜在的な可能性を示した。これは、従来の検出器では困難な分離が可能となった。