[論文レビュー] Temporal-mode-selective optical Ramsey interferometry via cascaded frequency conversion

Dileep V. Reddy, Michael G. Raymer|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、非線形波ガイドにおける段階的周波数変換を用いて、時間モード選択的光的ラムゼー干渉計を実現し、調整されたポンプパルスを用いて二段階の量子周波数変換を干渉的に結合することで、モード選択性を向上させるとともに高い変換効率を達成した。この手法は、単一段階系に内在する選択性と効率のトレードオフを克服し、時間モードに基づく量子情報処理のための実用的量子パルスゲートを実現した。

ABSTRACT

Temporal modes (TM) are a new basis for storage and retrieval of quantum information in states of light. The full TM manipulation toolkit requires a practical quantum pulse gate (QPG), which is a device that unitarily maps any given TM component of the optical input field onto a different, easily separable subspace or degree of freedom. An ideal QPG must "separate" the selected TM component with unit efficiency, whilst avoiding crosstalk from orthogonal TMs. All attempts at implementing QPGs in pulsed-pump traveling-wave systems have been unable to satisfy both conditions simultaneously. This is due to a known selectivity limit in processes that rely on spatio-temporally local, nonlinear interactions between pulsed modes traveling at independent group velocities. This limit is a consequence of time ordering in the quantum dynamical evolution, which is predicted to be overcome by coherently cascading multiple stages of low-efficiency, but highly TM-discriminatory QPGs. Multi-stage interferometric quantum frequency conversion in nonlinear waveguides was first proposed for precisely this purpose. TM-nonselective cascaded frequency conversion, also called optical Ramsey interferometry, has recently been demonstrated with continuous-wave (CW) fields. Here, we present the first experimental demonstration of TM-selective optical Ramsey interferometry and show a significant enhancement in TM selectivity over single-stage schemes.

研究の動機と目的

• 単一段階の量子周波数変換デバイスに内在する時間モード選択性と変換効率の根本的トレードオフを克服すること。
• 非線形波ガイド内で形状を調整したポンプパルスと弱いコherent信号を用いて、二段階の光学的ラムゼー干渉計を実装すること。
• 特定の時間モードを別々の周波数帯に選択的にマッピングし、クロストークが最小限に抑えた実用的量子パルスゲート（QPG）を実証すること。
• 信号パルス歪みの実験的観察を通じて、パルス状の非線形相互作用における時間順序効果に関する理論的予測を検証すること。
• 時間モードエンコーディングの潜在的能力を最大限に引き出すことで、スケーラブルな量子情報処理を可能にすること。

提案手法

• 単一の非線形波ガイド内での段階的三波混合を用いて、二段階の量子周波数変換プロセスを実装する。
• 時間モード選択性を実現するため、形状を調整した強力なレーザーポンプパルスを用い、ポンプパルスのエンベロープを相互作用のシュミットモードに一致させる。
• 信号およびレジスターフィールドが非線形媒質を二度通過するようにするため、ミケルソン干渉計構成を構築し、有効な相互作用強度を増強する。
• 4fパルスシェーパーに位相のみを制御可能な空間光変調器を適用し、ポンプおよび信号パルスの振幅と位相を正確に制御する。
• クロムディクロイックミラーおよびバンドパス/ノッチフィルタを用いて、異なる波長のp-、s-、およびr帯フィールドを分離および合成する。
• サーボ制御付きビームブロッキング装置および高精度線形ステージを用いて、干渉計の安定化を図り、ポンプおよび信号経路の制御スイッチングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形波ガイド内での段階的周波数変換は、高い時間モード選択性を維持しながらも高い変換効率を達成できるか？
• RQ2 量子力学的時間発展演算子における時間順序補正は、パルス状非線形光学系におけるモード識別にどのように影響するか？
• RQ3 ポンプパルスの形状調整は、単一段階の限界を超えて、量子周波数変換の選択性をどの程度向上できるか？
• RQ4 ラムゼー干渉計構成による非線形媒質を二度通過させることで、選択性と効率のトレードオフを緩和できるか？
• RQ5 観測された信号パルス歪みは、相互作用ハミルトニアンにおける時間順序効果に起因するものか？

主な発見

• 二段階の光学的ラムゼー干渉計は、信号パルス形状の最適化を行わなくても、単一段階実装と比較して顕著な時間モード選択性の向上を達成した。
• システムは、80 MHz繰り返し周波数、1つのポンプで470 mWの合計ポンプパワーを用いて、1段階あたり約50％の変換効率に達した。これは、同じ条件下で単一段階の構成では達成できなかった。
• 信号パルス歪みが実験的に観測され、理論的予測と一致するように、量子時間発展における時間順序効果に起因すると特定された。
• 信号パルスの時間的スケイイングの方向は、ポンプと信号の群速度差ではなく、信号およびレジスターフィールドの相対的群速度遅延に依存することが判明した。
• 干渉計内の位相を調整することで、特定の時間モードに対してのみ作用する周波数変換スイッチとしての動作を実現し、他のモードはほとんど無視された。
• 段階的低効率で高選択性を持つQFC段階を連結することで、単一段階非線形相互作用の選択性限界を克服できるという理論的予測が、実験的に確認された。