[논문 리뷰] A quantum detector for photon entanglement

Jan Huwer, Joyee Ghosh외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 04.

Quantum Information and Cryptography인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 단일 40Ca+ 이온을 이용해 SPDC 소스에서 발생하는 조정 가능한 좁은 대역폭 광자 쌍의 편광 얽힘을 특성화하기 위해 편광 민감도가 있는 공명 단일 광자 검출기로 활용하는 것을 보여준다. 동반 광자의 동시 검출을 통한 광자 흡수의 화성화와 양자 상태 단층촬영을 수행함으로써, 저자들은 최대 얽힘 벨 싱글릿 상태와 93%의 허상도를 달성하여 단일 입자 수준에서 고신뢰도의 얽힘 검출을 확인한다.

ABSTRACT

We use a single trapped 40Ca+ ion as a resonant, polarization-sensitive absorber to detect and characterize the entanglement of tunable narrowband photon pairs from a spontaneous parametric down-conversion source. Single-photon absorption is marked by a quantum jump in the ion and heralded by coincident detection of the partner photon. For three polarization basis settings of absorption and detection of the herald, we find maximum coincidences always for orthogonal polarizations. The polarization entanglement is further evidenced by tomographic reconstruction of the biphoton quantum state.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자와 단일 원자 큐비트 사이의 제어 가능한, 단일 입자 수준의 인터페이스를 개발하기 위해.
• 단일 고정 이온이 얽힌 광자 쌍에 대해 편광 민감도가 있는 검출기로 작용할 수 있음을 보여주기 위해.
• 단일 이온 검출기를 사용한 양자 상태 단층촬영을 통해 SPDC 광자 쌍의 편광 얽힘 상태를 검증하고 특성화하기 위해.
• 높은 허상도로 단일 광자의 화성 흡수를 달성하여 향후 양자 메모리 및 양자 중계기 응용에 기여하기 위해.

제안 방법

• 단일 40Ca+ 이온이 레이저 냉각되어 선형 파울 트랩에 고정되며, 들어오는 광자에 대해 공명적이고 편광 선택성 있는 흡수체로 기능한다.
• 광자 쌍은 주기적으로 균열된 KTP 결정에서 발생하는 타입-II 위상 일치 비선형성에 의한 자발적 파라메트릭 분할(SPDC)을 통해 생성되며, 854 nm에서 편광 얽힌 쌍을 생성한다.
• 한 광자(트리거)는 두 개의 연속된 파이브-페로트 공진기로 통과하여 이온의 전이 선폭과 주파수를 일치시키고, 애벌랜치 광다이오드로 검출된다.
• 필터링되지 않은 동반 광자는 고수치 굴절률 목표를 통해 이온에 결합되며, 트리거 광자의 검출을 통해 그 흡수가 화성화된다.
• 자기장 내에서 광학적 펌핑을 통해 이온의 상태가 준비되며, 이는 H-V, D-A 및 원형 기저에서 광자의 편광에 따라 선택적 흡수를 가능하게 한다.
• 양자 상태 단층촬영은 16개의 독립된 편광 기저 조합에서의 동시 검출 빈도를 측정한 후 밀도 행렬의 최대 우도 추정을 수행함으로써 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 고정된 40Ca+ 이온이 얽힌 광자 쌍에 대해 편광 민감도가 있고 공명적인 검출기로 작용할 수 있는가?
• RQ2 이온에 의한 단일 광자의 화성 흡수는 SPDC 쌍의 기저 편광 얽힘 상태를 드러내는가?
• RQ3 재구성된 이광자 양자 상태가 이상적인 벨 싱글릿 상태와의 허상도는 얼마인가?
• RQ4 이온을 측정 장치로 사용하여 이이광자 상태의 양자 단층촬영을 성공적으로 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 수직-수평(H-V) 기저에서 배경 제거 이전에 56(6)%의 가시도로, 수직-수평 기저에서 수직-수평 편광에 대해 최대 흡수율은 약 1회의 동시 검출/분이다.
• D-A 기저에서 최대 동시 검출 빈도는 0.4/min이며, 배경 제거 이전에 간섭 무늬의 가시도는 50(9)%이다.
• 재구성된 밀도 행렬은 최대 얽힘 벨 싱글릿 상태 |Ψ⁻⟩와 0.93(4)의 허상도를 보였다.
• 함수성은 0.93(6)로 측정되었으며, 형성된 탄젠트는 0.86(11)로 측정되어 강한 얽힘 상태를 확인한다.
• 배경 사건—주로 실수된 화성 신호와 자발적 붕괴에서 기인—은 가시도를 제한하지만, 최소 간섭 무늬가 항상 배경 수준과 일치한다.
• 결과는 고정된 이온이 높은 허상도로 편광 선택성 있는 검출기로 기능할 수 있으며, 이는 이이광자 시스템의 전체 양자 상태 단층촬영을 가능하게 한다는 것을 확인한다.