[논문 리뷰] Active Temporal Multiplexing of Photons

Gabriel J. Mendoza, Raffaele Santagati외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 04.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이중 통과된 화성 광자원을 사용하여 광자를 능동적으로 시간 분할 다중화함으로써 비다중화된 원천에 비해 효과적인 화성 광자율을 최대 76% 향상시킨다. 저손실 광학 스위칭 네트워크, 지연선, 그리고 고속 피드포워드 제어를 활용하여 성공적인 광자 생성 이벤트를 동기적으로 단일 시간 및 공간 모드로 유도함으로써 단일 광자원의 효율을 크게 향상시키면서도 낮은 노이즈를 유지한다.

ABSTRACT

Photonic qubits constitute a leading platform to disruptive quantum technologies due to their unique low-noise properties. The cost of the photonic approach is the non-deterministic nature of many of the processes, including single-photon generation, which arises from parametric sources and negligible interaction between photons. Active temporal multiplexing - repeating a generation process in time and rerouting to single modes using an optical switching network - is a promising approach to overcome this challenge and will likely be essential for large-scale applications with greatly reduced resource complexity and system sizes. Requirements include the precise synchronization of a system of low-loss switches, delay lines, fast photon detectors, and feed-forward. Here we demonstrate temporal multiplexing of 8 'bins' from a double-passed heralded photon source and observe an increase in the heralding and heralded photon rates. This system points the way to harnessing temporal multiplexing in quantum technologies, from single-photon sources to large-scale computation.

연구 동기 및 목표

• 양자 기술의 확장성에 제한을 주는 비결정론적 광자원에서의 광자 생성 특성 문제를 해결한다.
• 기존 화성 단일 광자원(HSPS)의 25% 이론적 최대 화성 효율을 시간 분할 다중화를 통해 극복한다.
• 능동적 스위칭을 통해 다수의 시간 영역에서 단일 물리적 원천을 재사용함으로써 자원 복잡성과 시스템 크기를 감소시킨다.
• 화성 광자를 단일 출력 모드로 고신뢰도, 저손실로 유도하여 효과적인 원천 성능을 향상시킨다.
• 단일 원천을 사용하여 공간-시간 다중화를 융합하여 8개의 효과적 원천 반복을 모방한다.

제안 방법

• 펌프 펄스가 주기적으로 균열된 리튬니오브산나트륨(PPLN) 결정을 두 번 통과하는 이중 통과 화성 광자원을 구현하여 쌍 생성 확률을 증가시킨다.
• 자유공간 지연선을 사용하여 시간 분할 다중화를 위해 네 개의 고유한 시간 영역(지연)을 생성하며, 각 통과 간격은 고정된 시간 간격을 가진다.
• 고속 광학 스위칭 네트워크와 피드포워드 제어를 활용하여 성공적인 화성 신호 광자를 단일 출력 공간 및 시간 모드로 유도한다.
• 초기반 샘플링 FPGA를 사용하여 화성 신호를 감지하고 시스템 클록 사이클과 동기화된 실시간으로 스위칭 결정을 유도한다.
• 발생, 공진, 임의 계수의 확률 분포를 모델링하고, 검출기, 필터, 스위치의 측정된 손실을 포함하여 시스템을 모델링한다.
• 실험 데이터에 대한 수치적 피팅을 통해 펌프 전력, 검출 효율 등의 원천 파라미터를 최적화하여 이론 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 능동적 시간 분할 다중화가 노이즈를 증가시키지 않고도 비결정론적 원천의 효과적 화성 광자율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 시간 분할 다중화가 광자 양자정보 시스템에서 자원 오버헤드와 시스템 크기를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 시간 다중화와 공간 다중화의 조합이 비다중화 원천에 비해 효과적인 단일 광자 방출 확률을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 스위칭 손실과 검출기 포화가 시간 다중화 단일 광자원의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시스템이 확장 가능한 양자 계산을 위해 충분한 CAR(공진 대 임의 비율) 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 고정된 노이즈 조건 하에서 능동적 시간 다중화 시스템은 다중화되지 않은 동일한 원천에 비해 화성 광자율을 76% 향상시켰다.
• 측정된 공진 대 임의 비율(CAR)은 이론 모델과 양호한 일치를 보였으며, 낮은 노이즈와 고신뢰도 작동을 확인했다.
• 외부 손실을 제거한 모델에서는 8× 다중화 원천이 고정된 다광자 방출 확률에서 최대 50%의 단일 광자 방출 확률을 달성할 수 있었다.
• 단일 물리적 원천을 사용하여 성공적으로 공간-시간 하이브리드 다중화를 실현하였으며, 8개의 효과적 원천 반복을 모방했다.
• 성공적인 화성 광자 이벤트를 유도할 확률은 단일 통과 시 약 15%에서 전체 다중화 시스템에서 약 98%로 증가했다.
• 실험 데이터는 최적 피팅 파rameter에 대해 평균 R²가 0.987로 높은 모델 정확도를 보였다.