[論文レビュー] Underwater Transmission of High-dimensional Twisted Photons over 55 Meters

Yu-An Chen, Wei-Guan Shen+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2019

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 28被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、海水中で55メートルの距離を越えて、位相的角運動量（OAM）を有する単一光子のねじれ光の実験的伝送を初めて実現した。Sagnac干渉計を用いて高次元のOAM状態を生成し、ICCDカメラでモード忠実度を測定した。実験ではトポロジカル電荷および重ね合わせ状態の構造が強く保持されていることが確認され、長距離OAMベースの水中量子通信への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

As an emerging channel resource for modern optics, big data, internet traffic and quantum technologies, twisted photons carrying orbital angular momentum (OAM) have been extended their applicable boundary in different media, such as optical fiber and atmosphere. Due to the extreme condition of loss and pressure, underwater transmission of twisted photons has not been well investigated yet. Especially, single-photon tests were all limited at a level of a few meters, and it is in practice unclear what will happen for longer transmission distances. Here we experimentally demonstrate the transmission of single-photon twisted light over an underwater channel up to 55 meters, which reach a distance allowing potential real applications. For different order OAM states and their superposition, a good preservation of modal structure and topological charge are observed. Our results for the first time reveal the real transmission performance of twisted photons in a long-distance regime, representing a step further towards OAM-based underwater quantum communication.

研究の動機と目的

• 長距離水中伝送における位相的角運動量（OAM）を有する単一光子のねじれ光の実現可能性を調査すること。
• OAM状態およびそれらの重ね合わせ状態が、長距離水中チャネルを通過してもどの程度保持されるかを特定すること。
• 水中の乱流およびチャネル損失が、実際の海洋環境における高次元光子状態の忠実度に及ぼす影響を評価すること。
• 深海環境におけるOAMベースの量子通信の実験的検証のための実用的プラットフォームを構築すること。
• 単一光子の水中光チャネル内伝播に関する理論的モデルに対する実証的妥当性を提供すること。

提案手法

• 532 nm波長の単一光子OAM状態を生成するために、内部にバーサル位相プレートを備えた変更済みSagnacループ干渉計を用いる。
• 10 Wのビーコンレーザーを用いて、二つの空気-水界面および55 mの水中チャネルを横断する光学リンクの正確なアライメントを実現する。
• 高感度で弱い単一光子信号を捉えるために、強力な背景ノイズ下でも検出可能な強化型キャリブレーテッド・コウシドデバイス（ICCD）カメラを用いる。
• 花びら状の強度パターンの重心を特定することで、OAM重ね合わせ状態の方位を特定するアルゴリズムを用いる。
• 画像ベースの位相解析を用いて、受信状態を対応する準備済み状態基底に射影することで忠実度を計算する。
• 20秒間にわたり、水面の乱流によるチルト・チルト歪みを、渦核位置の半径方向変位を測定することで定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高損失および乱流が生じる水中チャネルにおいて、55メートルの距離を越えて高次元OAM状態が保持可能か？
• RQ2 水中による乱流が、長距離伝送中のビームの指向安定性およびモード忠実度にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 異なるOAM次数の重ね合わせ状態が、海水中でも相対位相および構造的整合性をどの程度維持できるか？
• RQ4 実際の海洋環境において、単一光子OAM伝送のチャネル損失および信号対雑音比性能はどの程度か？
• RQ5 Sagnacベースの装置は、水中量子通信に適した安定的で高速かつ経済的なOAM状態符号化を可能にするか？

主な発見

• 本実験では、海水中で55メートルの距離を越えて単一光子OAM状態の伝送に成功した。これは、同種のシステムにおいて報告された最長距離である。
• 測定された減衰係数は0.16 m⁻¹であり、沿岸海水の理論値（0.179 m⁻¹）に非常に近い結果となり、現実的なチャネルモデルの妥当性が裏付けられた。
• OAM状態のモード構造およびトポロジカル電荷は、高次オーダーの重ね合わせに対しても高い忠実度で保持された。
• 一次重ね合わせ状態の忠実度は90％以上を維持した。三次重ね合わせ状態では27秒間にわたり、変動が1.1％未満にとどまった。
• 渦核の平均半径方向チルト・チルト変位は中心から0.64 mmであり、水中乱流による中程度のビームウォーキングが生じていることが示された。
• 全システム損失は約40 dBであったが、ICCD検出により強い背景雑音下でも単一光子信号を正常に回収できた。