[논문 리뷰] Cavity enhanced second-order nonlinear quantum photonic logic circuits

Rahul Trivedi, Uday K. Khankhoje외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 26.

Optical Network Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 저전력 전체 광학 논리 게이트를 달성하기 위해 이중모드 공진기에서 χ² 비선형성을 활용한 공진기 강화형 두 번째 차수 비선형(χ²) 광학 회로를 제안한다. 중간 품질 인자(Q ~ 10⁴)를 갖는 공진기에서 χ² 비선형성을 활용함으로써, 초고품질 인자(Q ~ 10⁶)가 필요한 χ³ 기반 대안 대비 에너지 효율성이 10배 향상된 설계를 달성한다.

ABSTRACT

A large obstacle for realizing quantum photonic logic is the weak optical nonlinearity of available materials, which results in large power consumption. In this paper, we present the theoretical design of all-optical logic with second order ($\chi^{(2)}$) nonlinear bimodal cavities and their networks. Using semiclassical models derived from the Wigner quasi-probability distribution function, we analyze the power consumption and signal-to-noise ratio (SNR) of networks implementing an optical AND gate and an optical latch. Comparison between the second and third order $(\chi^{(3)})$ optical logic reveals that while the $\chi^{(3)}$ design outperforms the $\chi^{(2)}$ design in terms of the SNR for the same input power, employing the $\chi^{(3)}$ nonlinearity necessitates the use of cavities with ultra high quality factors ($Q\sim 10^6$) to achieve gate power consumption comparable to that of the $\chi^{(2)}$ design at significantly smaller quality factors ($Q \sim 10^4$). Using realistic estimates of the $\chi^{(2)}$ and $\chi^{(3)}$ nonlinear susceptibilities of available materials, we show that at achievable quality factors ($Q \sim 10^4$), the $\chi^{(2)}$ design is an order of magnitude more energy efficient than the corresponding $\chi^{(3)}$ design.

연구 동기 및 목표

• 광학 재료의 약한 광학 비선형성으로 인해 에너지 효율적인 양자 광학 논리가 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 전체 광학 논리 게이트를 위한 이중모드 공진기에서 두 번째 차수(χ²) 비선형성을 활용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 실제 재료 및 공진기 조건 하에서 χ² 대비 χ³ 비선형 설계의 전력 효율성과 신호대임계비(SNR)를 비교하기 위해.
• 실제 구현을 위한 최적의 공진기 품질 인자(Q)를 전력 소비와 SNR 간의 균형을 고려해 특정화하기 위해.

제안 방법

• Wigner 위상확률분포함수에서 유도된 반고전적 근사법을 사용하여 이중모드 공진기에서 χ² 비선형성을 이론적으로 모델링한다.
• 결합된 공진기 동역학을 기반으로 AND 게이트 및 래치를 포함한 광학 논리 게이트의 네트워크 모델을 개발한다.
• 성능 평가를 위해 가용 재료의 χ² 및 χ³ 비선형 감도를 현실적인 추정치로 사용한다.
• Q 값이 10⁴에서 10⁶ 사이로 변화하는 조건에서 전력 소비와 신호대임계비(SNR)를 분석한다.
• 입력 전력과 Q 값 조건을 동일하게 유지한 상태에서 χ² 및 χ³ 설계를 비교하여 에너지 효율성을 평가한다.
• 반고전적 모델 기반 시뮬레이션을 통해 SNR 및 에너지 효율성을 예측하고 게이트 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 품질 인자 공진기에서 χ² 비선형 광학 회로가 χ³ 기반 설계와 경쟁 가능한 에너지 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 χ³ 기반 논리 설계가 Q ~ 10⁴에서 χ² 기반 설계의 전력 소비 수준에 도달하기 위해 필요한 공진기 품질 인자(Q)는 얼마인가?
• RQ3 동일한 입력 전력 조건에서 χ² 기반 논리의 신호대임계비(SNR)는 χ³ 기반 논리와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 실현 가능한 Q 값(Q ~ 10⁴)에서 χ² 기반 논리가 χ³ 기반 논리보다 에너지 효율성에서 어느 정도의 이점이 있는가?
• RQ5 현실적인 재료의 비선형성은 χ² 비선형성을 활용한 저전력 전체 광학 논리의 실용적 구현을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 실현 가능한 공진기 품질 인자(Q ~ 10⁴)에서 χ² 기반 설계는 해당하는 χ³ 기반 설계보다 에너지 효율성이 10배 뛰어나다.
• χ³ 기반 설계는 Q ~ 10⁴에서 χ² 기반 설계의 전력 소비 수준에 도달하기 위해 초고품질 인자(Q ~ 10⁶)를 요구한다.
• χ³ 설계는 동일한 입력 전력에서 더 우수한 SNR를 제공하지만, 실제로 Q ~ 10⁶를 구현하는 데 현실적으로 어려움이 있어 이 이점은 상쇄된다.
• χ² 설계는 낮은 Q 인자 요구 조건 덕분에 SNR가 약간 낮더라도 여전히 유리한 에너지 효율성을 유지한다.
• 현실적인 재료 추정치는 χ² 기반 회로가 실험적으로 접근 가능한 Q 값에서 저전력 광학 논리에 실용적으로 적용 가능하다는 것을 확인한다.
• 본 연구는 이중모드 공진기에서의 χ² 비선형성이 에너지 효율적인 전체 광학 양자 논리를 위한 실용적인 길을 제시한다.