[論文レビュー] Spectrally resolved Hong-Ou-Mandel interference between independent sources

Rui‐Bo Jin, Thomas Gerrits+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 57被引用数 52

ひとこと要約

本稿では、高速ファイバー分光計を用いて、独立した光子源（陽性化された単一光子源および熱的光子源）間のスペクトル分解能付きホン・オウ・マデル（HOM）干渉を実証した。HOM干渉中のスペクトル相関を測定することで、後処理によるスペクトルフィルタリングにより visibility の向上を達成し、相関スペクトル強度に縞模様構造を明らかにした。また、通信波長帯における理論的モデルと実験データの整合性を検証した。

ABSTRACT

Hong-Ou-Mandel (HOM) interference between independent photon sources (HOMI-IPS) is the fundamental block for quantum information processing, such as quantum gate, Shor's algorithm, Boson sampling, etc. All the previous HOMI-IPS experiments were carried out in time-domain, however, the spectral information during the interference was lost, due to technical difficulties. Here, we investigate the HOMI-IPS in spectral domain using the recently developed fast fiber spectrometer, and demonstrate the spectral distribution during the HOM interference between two heralded single-photon sources, and two thermal sources. This experiment can not only deepen our understanding of HOMI-IPS in the spectral domain, but also be utilized to improve the visibility by post-processing spectral filtering.

研究の動機と目的

• 時間領域のみに限られた測定の限界を克服し、独立した光子源間のスペクトル領域におけるホン・オウ・マデル（HOM）干渉を調査すること。
• 高速ファイバー分光計を用いてHOM干渉中のスペクトル相関を実験的に測定し、高速かつ高分解能のスペクトル解析を可能とすること。
• 陽性化された単一光子源および熱的光子源に対して、後処理によるスペクトルフィルタリングがHOM干渉の可視性を向上させられることを示すこと。
• 陽性化された単一光子状態および熱的状態の両者について、HOM干渉の理論的モデルを検証すること。高次スペクトル成分を含む。
• HOMディップ中のスペクトル強度分布を解像することで、スペクトル純度および光子の不可識別性に関する理解を深めること。

提案手法

• 2つの独立した自己発生的パラメトリック下変換（SPDC）光源からの信号光子間にHOM干渉を誘発するために50/50ファイバー分波器を用いた。
• 超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPDs）と時間間隔アナライザー（TIA）を用い、分散補償ファイバー（DCFs）を介してスペクトル情報を到着時刻にマッピングすることでファイバー分光計を構築した。
• Gerritsら[23, 24]が開発した高速ファイバー分光計技術を応用し、高スペクトル分解能と高速性を兼ね備えたリアルタイムのスペクトル相関測定を実現した。
• 時間遅延τの関数として4重一致計数を測定し、共同スペクトル振幅関数f1(ωs1, ωi1)およびf2(ωs2, ωi2)の理論的枠組みを用いてHOMディップおよび相関スペクトル強度（CSI）を再構築した。
• 理論的モデリングでは、陽性化された単一光子状態および熱的状態の両者について、完全な量子力学的取り扱いを行い、複雑なスペクトル振幅関数と干渉項を組み込んだ。
• 実験データを後処理としてスペクトルフィルタリングを用いて処理し、HOM可視性の向上を実現。量子干渉の忠実度向上に向けた実用的手法を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速スペクトル測定技術を用いて、独立した光子源間のHOM干渉中のスペクトル相関を実験的に解像できるか？
• RQ2 相関スペクトル強度（CSI）におけるスペクトル縞模様は、HOMディップ全体にわたりどのように変化するか。また、それらは光子の不可識別性について何を明らかにするか？
• RQ3 干渉信号の後処理によるスペクトルフィルタリングによって、HOM干渉の可視性はどの程度向上できるか？
• RQ4 陽性化された単一光子状態および熱的状態の間のHOM干渉について、理論的予測と実験データのスペクトル領域での整合性はいかがなものか？
• RQ5 スペクトル純度および高次成分は、現実の光源におけるHOM干渉の可視性を制限または形作る役割を果たすか？

主な発見

• スペクトルフィルタリングを施さない状態でも、4重HOMディップ可視性は82.0%に達し、PPKTPを用いたSPDC光源の固有のスペクトル純度0.82と整合的であった。
• HOMディップの異なる時間遅延で、相関スペクトル強度（CSI）に縞模様が観測された。縞の周波数はディップ中心からの距離が増すにつれて増加した。
• HOMディップの半値全幅（FWHM）は4.91 ps（1.47 mm）に測定され、時間的コherenecの長さは約1.47 mmに相当した。
• 熱的光源の場合、HOM可視性の理論的上限が1/3であることが確認され、実験的に観測されたディップ構造もこの予測と一致した。
• 後処理によるスペクトルフィルタリングがHOM干渉の可視性を向上させることを示し、量子プロセッサの忠実度向上に向けた実用的手段であることを示した。
• 2つの陽性化された単一光子状態間のHOM干渉についての理論的シミュレーションが、実験データとよく一致した。これにより、モデルに高次スペクトル成分を組み込むことの妥当性が検証された。