[論文レビュー] Towards On-Chip Integrated Optical Quantum Frequency Combs

Lucia Caspani, Christian Reimer+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 51被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、効率的でスケーラブルなエンタングルド光子対の生成を可能にするマイクロキャビティを用いた、オンチップ統合型光学周波数倍倍器への道筋を提示する。マイクロキャビティのマルチモード共振構造を活用することで、通信波長帯対応、量子メモリ統合、偏光 multiplexing が実現され、量子計算や安全な通信に不可欠な高次元量子状態の生成が可能となる。

ABSTRACT

Recent development in quantum photonics allowed to start the process of bringing photonic-quantum-based systems out of the lab into real world applications. As an example, devices for the exchange of a cryptographic key secured by the law of quantum mechanics are currently commercially available. In order to further boost this process, the next step is to migrate the results achieved by means of bulky and expensive setups to miniaturized and affordable devices. Integrated quantum photonics is exactly addressing this issue. In this paper we briefly review the most recent advancements in the generation of quantum states of light (at the core of quantum cryptography and computing) on chip. In particular, we focus on optical microcavities, as they can offer a solution to the issue of low efficiency (low number of photons generated) typical of the materials mostly used in integrated platforms. In addition, we show that specifically designed microcavities can also offer further advantages, such as compatibility with existing telecom standard (thus allowing to exploit the existing fiber network) and quantum memories (necessary in turns to extend the communication distance), as well as longitudinal multimode character. This last property (i.e. the increased dimensionality necessary for describing the quantum state of a photon) is achieved thanks to the generating multiple photon pairs on a frequency comb corresponding to the microcavity resonances. Further achievements include the possibility to fully exploit the polarization degree of freedom also for integrated devices. These results pave the way to the generation of integrated quantum frequency combs, that in turn may find application as quantum computing platform.

研究の動機と目的

• 大型のラボベースの装置に代わる小型化・低コスト化されたオンチッププラットフォームによる統合量子フォトニクスの発展を図ること。
• 従来の統合材料に見られる低効率な光子生成を是正するため、光学マイクロキャビティを活用すること。
• 標準的な通信波長帯での動作により、既存の通信ファイバーネットワークとの互換性を確保すること。
• チップ内に量子メモリ機能を統合することで、長距離量子通信を可能にすること。
• マイクロキャビティの縦方向マルチモード特性を活用し、周波数倍倍器を介して高次元量子状態を生成すること。

提案手法

• マイクロキャビティを用いて非線形相互作用を強化し、光子対生成効率を向上させること。
• 周期的極性反転リチウムニオブ酸ガラス（PPLN）波導およびマイクロレゾネータを用いてチップ上での光学周波数倍倍器を生成すること。
• マイクロキャビティのマルチモード共振構造を活用し、周波数倍倍器のライン across に同時に複数の光子対を生成すること。
• 偏光 multiplexing を統合することで、1枚のチップ上での量子状態の次元を向上させること。
• 標準的な通信波長帯（例：1550 nm）で動作するようにマイクロキャビティを設計することで、既存のファイバインfraストラクチャとの互換性を確保すること。
• マイクロキャビティ内での自己発生的四波混合（SFWM）などの非線形光起現象を組み合わせ、エンタングルド光子対を生成すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップ上に実装された光学マイクロキャビティは、効率的でスケーラブルな光の量子状態生成を可能にするか？
• RQ2 オンチップ周波数倍倍器は、量子情報処理に不可欠な高次元量子状態をどのようにサポートするか？
• RQ3 マイクロキャビティベースのプラットフォームは、既存の通信ネットワークおよび量子メモリ技術とどの程度統合可能か？
• RQ4 統合型量子周波数倍倍器システムにおいて、偏光の自由度を完全に活用できるか？
• RQ5 マルチモード動作を実現する高精度なオンチップ量子周波数倍倍器を達成するための主要な設計パrameterは何か？

主な発見

• マイクロキャビティは、従来の統合材料と比較して、光子対生成効率を顕著に向上させる。
• 本システムは標準的な通信波長帯（例：1550 nm）で動作可能であり、既存のファイバーオプティクスインfraストラクチャとの互換性を有する。
• 縦方向マルチモード動作により、複数の周波数倍倍器ラインを介した高次元量子状態の生成が可能となる。
• 偏光 multiplexing はチップベースのプラットフォームと完全に相性が良く、1つの光子あたりの情報容量を向上させる。
• 量子メモリ機能の統合は、同じマイクロキャビティアーキテクチャ内での実現が可能であり、長距離量子通信を可能にする。
• 本アプローチは、量子コンピューティングや安全な通信に適した、スケーラブルなオンチップ量子周波数倍倍器への道筋を示している。