[論文レビュー] Squeezing at a telecom wavelength, a compact and fully guided-wave approach

Florian Kaiser, Bruno Fedrici+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

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ひとこと要約

本論文は、1542 nmの通信波長において、最初の完全なガイド波状の圧縮実験を実現した。周期的極性反転リチウニオブート酸リチウムリッジ波ガイドを用いて連続波（CW）パラメトリック下変換を実施し、市販の通信ファイバー部品を検出に用いた。圧縮は−1.83 ± 0.05 dBを達成し、コンactな安定性とファイバー網適合性を持つ連続変数量子通信システムへの大きな一歩を示した。

ABSTRACT

We demonstrate, for the first time, the realization of an entirely guided-wave squeezing experiment at a telecom wavelength. The state generation relies on waveguide non-linear optics technology while squeezing collection and transmission are implemented by using only telecom fibre components. We observe up to $-1.83\pm0.05$ dB of squeezing emitted at 1542 nm in CW pumping regime. The compactness and stability of the experiment, compared to free-space configurations, represent a significant step towards achieving out-of-the-lab CV quantum communication, fully compatible with existing telecom fibre networks. We believe that this work stands as a promising approach for real applications as well as for "do-it-yourself" experiments

研究の動機と目的

• 通信波長における連続変数量子光学のためのコンactで安定的かつ完全にファイバー適合性を持つプラットフォームの開発。
• 自由空間セットアップの制限を克服し、アライメントに敏感な空間モードマッチングを排除すること。
• 既存の通信インfraストラクチャ内でのCV量子技術の実用的導入を可能にすること。
• 商業的部品のみを用いて、高精度で即挿し可能な圧縮光の生成と検出を実証すること。
• ガイド波光学に基づくスケーラブルでラボ外でも利用可能な量子通信ネットワークの実現に向けた道筋を示すこと。

提案手法

• 1542 nmの連続波通信レーザーを増幅し、70:30のファイバー分光ビームスプリッタで分割。弱いビームを局所発振子（LO）として使用。
• 強いビームを周期的極性反転リチウニオブート酸リチウム波ガイド（PPLN/W）を用いて771 nmに周波数倍し、効率的な二次高調波生成（SHG）を実現。
• 771 nmのポンプビームを4 cmのPPLNリッジ波ガイド（PPLN/RW）に結合し、タイプ0の自己発生的パラメトリック下変換（SPDC）により単一モードの圧縮真空状態を生成。
• 生成された1542 nmの圧縮光は、50:50のファイバー分光ビームスプリッタとInGaAsフォトダイオードを用いてファイバー型ホモダイン検出器に結合され、ファイバー伸長モジュールによる位相スキャンが実施。
• 偏光マッチングはファイバー偏光制御器を用いて確保され、すべての部品は標準的な通信グレードであり、アライメントなしで即挿し可能。
• 測定のズレを理論的モデル（圧縮分散）に基づいて補正し、検出効率とポンプ出力スケーリングのフィッティングパラメータを用いてキャリブレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由空間光学を一切用いずに、通信波長で連続波単一モード圧縮をガイド波方式で達成できるか？
• RQ2 商業的通信ファイバー部品が、CV量子実験におけるボリューム光学素子にどの程度置き換え可能か？
• RQ3 コンパクトでアライメントフリーなセットアップにおいて、PPLNリッジ波ガイドを非線形媒質として用いた場合、どの程度の圧縮が達成可能か？
• RQ4 伝搬損失および検出損失を考慮した場合、測定された圧縮性能は理論的限界とどの程度一致するか？
• RQ5 このプラットフォームは、量子ネットワークに適した二モードもつれの生成に容易に拡張可能か？

主な発見

• 連続波ポンピング下で1542 nmで−1.83 ± 0.05 dBの圧縮が達成され、反圧縮は2.79 ± 0.05 dBであった。これは余剰ノイズの存在がないことを確認した。
• 推定された検出効率を補正した波ガイド出力での圧縮は約−3.3 dBに達し、CWポンピング系において報告された最高水準の値の一つである。
• フィッティングされた総合検出効率はη_fit = 0.54 ± 0.01であり、推定損失と整合的で、波ガイド伝搬損失η_wg ≈ 0.4 dB/cmを算出可能であった。
• 商業的部品のみを用いた即挿し動作が実証され、空間モードアライメントや複雑な光学セットアップの必要がなくなった。
• 2つの同一のPPLN/RW出力を50:50のファイバー分光ビームスプリッタで結合することで、二モード圧縮への容易な拡張が可能であり、高視認度の量子干渉ともつれ生成が可能となった。
• 測定された性能は、オンチップおよびネットワーク化されたCV量子通信の実現可能性を支持しており、低損失波ガイドおよび高効率検出器の導入によりさらなる向上が期待できる。