[論文レビュー] Verifying entanglement by attempting to undo it with ultra-broadband bi-photons

Yaakov Shaked, Roey Pomerantz+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、二重干渉計を用いて量子状態を強め合いと弱め合いの干渉で測定することで、超広帯域二光子の量子もつれを高速に検証する手法を提示している。強力なポンプ（10⁷–10⁹）を用いて効率的なアップコンバージョンとシンプルなフォト検出を実現することで、従来手法と比較して測定時間を4桁短縮し、縞の可視度が二光子の純度と量子的性質の直接的な指標となる。

ABSTRACT

We observe at record-high speed the nonclassical nature of ultra-broadband bi-photons, reducing the measurement time by four orders of magnitude compared to standard techniques of Hong-Ou-Mandel interference or sum-frequency generation. We measure the quantum state of the broadband bi-photons, amplitude and phase, with a pairwise Mach-Zehnder quantum interferometer, where bi-photons that are generated in one nonlinear crystal are enhanced (constructive interference) or diminished (destructive interference) in another crystal, depending on the bi-photon phase. We verify the quantum nature of the interference by observing the dependence of the fringe visibility on internal loss. Since destructive interference is equivalent to an attempt to annihilate in the second crystal (by up-conversion) the bi-photons that were created in the first crystal (by down-conversion), the fringe visibility is a measure for the quantum bi-photon purity of the broadband light. The measurement speed-up is due to the large homodyne-like gain from the strong pump ($\!\sim\!10^{7-9}$) in the up-conversion efficiency of single bi-photons, which enables the use of simple photo-detection of the full, ultra-high photon flux instead of single-photon / coincidence counting.

研究の動機と目的

• ホン・オウ・マネル干渉や和周波数生成といった従来のもつれ検証手法の遅い測定速度を克服すること。
• 超広帯域二光子の量子的性質を迅速かつ高精度に検証できる手法を開発すること。
• 二番目の非線形結晶における破壊的干渉を用いて二光子の消失を試み、量子純度を調べること。
• 単一光子カウンティングの代わりに強力なポンプ強化によるアップコンバージョンを用いた直接フォト検出を導入することで、顕著な高速化を達成すること。

提案手法

• 二光子が一つの非線形結晶で生成され、相対位相に応じて二番目の結晶で干渉するペアワイズマハチゾン干渉計を用いる。
• 高効率なアップコンバージョンを実現するため、強力なポンプ場（10⁷–10⁹）を用い、共鳴計数ではなく標準的なフォト検出で高い光子フラックスを測定可能にする。
• 内部損失を変化させた際の縞の可視度を測定し、干渉の量子的性質と二光子の純度を評価する。
• 強力なポンプによるホモダイン型の利得を活用し、信号を増幅することで測定時間を顕著に短縮する。
• 干渉計の制御された干渉を介して、二光子の振幅と位相の測定により、量子状態を定量化する。
• 二番目の結晶における破壊的干渉を、元のダウンコンバージョン過程を元に戻そうとする試みとして扱い、状態の非古典的性質を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改良された干渉計的手法を用いて、超広帯域二光子の量子的性質を記録的な高速度で検証できるか？
• RQ2 内部損失を変化させた際の縞の可視度は、二光子状態の非古典的性質をどの程度確認できるか？
• RQ3 強力なポンプ強化によるアップコンバージョンは、従来手法と比較して測定時間を4桁短縮するのにどのように寄与するか？
• RQ4 縞の可視度は、広帯域系において二光子純度の直接的な指標として機能するか？
• RQ5 高フラックスの二光子系において、単一光子カウンティングを直接フォト検出に置き換えても、量子情報が損なわれないか？

主な発見

• 従来のホン・オウ・マネル干渉や和周波数生成手法と比較して、測定時間が4桁短縮された。
• 縞の可視度は内部損失に明確な依存関係を示し、干渉の非古典的性質と二光子の量子的性質が確認された。
• 縞の可視度は、超広帯域領域における二光子純度の直接的な定量的指標として機能した。
• 強力なポンプ（10⁷–10⁹）によりホモダイン型の利得が得られ、高効率なアップコンバージョンと標準的フォト検出による高光子フラックスの検出が可能になった。
• 二番目の結晶における破壊的干渉は、二光子の消失を模倣する試みとして効果的に機能し、可視度応答によって状態の量子的性質が妥当性を確認された。
• 複雑な共鳴計数を必要とせず、量子光学の応用分野における実用性を顕著に向上させる高速検証が達成された。