[論文レビュー] Telecom-Band Entanglement Generation for Chipscale Quantum Processing

Kim Fook Lee, Prem Kumar+5 more|ArXiv.org|Jan 17, 2008

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、カウンタープロパゲーティング構成を用いた四光子散乱（FPS）を用いて、シリコンオンインシュレーター（SOI）波guidesでオンチップに偏光エンタングルド光子対を生成することを示した。非デュアル光子対では91％以上の2光子干渉可視度、デュアル光子対では80％以上の可視度を達成し、統合量子計算および通信に適した高精度な量子エンタングルメントを確認した。

ABSTRACT

We demonstrate polarization-entanglement for non-degenerate and degenerate photon-pairs generated through Kerr-nonlinearity in a nano-scale silicon-on-insulator(SOI) waveguide. We use a compact counter propagating configuration to create two-photon polarization-entangled state, |H>|H> + |V>|V>. We observe two-photon interference with visibility > 91% and > 80% for non-degenerate and degenerate photon-pairs, respectively. The experimental structure can be implemented on optical chips as an integrated source of entangled photons for future quantum computer and communication applications.

研究の動機と目的

• 実用的な量子情報処理に適した統合的でチップスケールの偏光エンタングルド光子源の開発を目的とする。
• ボリューム光学の制限を克服し、シリコンフォトニクスプラットフォーム上でオンチップでエンタングルド光子対を生成することを目的とする。
• コンactなカウンタープロパゲーティング構成を用いて、非デュアルおよびデュアル光子対状態の両方における非古典的相関および偏光エンタングルメントを実証することを目的とする。
• 古典的不等式の破れおよび2光子干渉測定を通じて、生成された光子対の量子的性質を検証することを目的とする。
• スケーラブルで統合されたシリコンプラットフォーム上で高可視度エンタングルメントを達成することで、将来的な量子コンピューティングおよび通信への応用を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 通信波長帯域の信号光子およびアイドル光子対を生成するために、ナノスケールのSOI波guidesにおける四光子散乱（FPS）を用いる。
• 2光子偏光エンタングルド状態 |H⟩|H⟩ + |V⟩|V⟩ を生成するために、カウンタープロパゲーティングポンプ構成を採用する。
• WDMフィルタを用いたスペクトルフィルタリングにより、信号およびアイドルチャネルを分離し、選択的検出および一致計数測定を可能にする。
• 50/50ビームスプリッタおよび一致計数を用いて2光子干渉（TPI）を測定し、エンタングルメントの純度を評価する。
• 古典的不等式の破れ（Zou et al., 1991）を用いて、信号光子とアイドル光子の間の非古典的相関を確認する。
• 二重グレーティングフィルタおよびEDFA増幅を用いて、非デュアルおよびデュアルケースの両方における位相一致とポンプパワーを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 四光子散乱を用いて、チップスケールのSOI波guidesで偏光エンタングルド光子対を生成できるか？
• RQ2 この手法によって生成された非デュアルおよびデュアル光子対状態におけるエンタングルメントの忠実度はどの程度か？
• RQ3 一致対誤差比および古典的不等式の破れを通じて、生成された光子対の非古典的性質を実験的に検証できるか？
• RQ4 統合シリコンプラットフォームにおいて、非デュアルおよびデュアルケースにおける2光子干渉可視度はどのように変化するか？
• RQ5 ラーマン散乱およびASE（増幅自発放射）ノイズなどのバックグラウンドノイズ要因が、チップスケールシステムにおけるエンタングルメント可視度に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• ピーク一致対誤差比（CAR）が約30の条件下で、古典的不等式の破れが6標準偏差以上で確認された。
• 非デュアル光子対では2光子干渉可視度が91％を超えた。これは高精度なエンタングルメントを示している。
• デュアル光子対では2光子干渉可視度が80％を超えた。これは統合プラットフォームにおける頑健な偏光エンタングルメントを示している。
• 最適化されたポンプパワー下で、非デュアル光子対の光子対生成率は0.08に達し、デュアル光子対では0.12に達した。
• 平均ポンプパワー90 μWで観測されたCAR約30は、相関光子対の高い純度を示している。
• ラーマン散乱および増幅自発放射（ASE）ノイズは、特に高ポンプパワー下で、デュアルケースにおける可視度を制限する主な要因であると特定された。