[논문 리뷰] Climbing the Fock ladder: Advancing multiphoton state generation

M. Engelkemeier, Jan Sperling외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 08.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고광자수 Fock 상태를 직접 보정하는 것보다 훨씬 높은 성공 확률을 달성하면서도 높은 품질을 유지하는 피드백 기반의 시간분할 다중화 비선형성 분할(Parametric Down-Conversion, PDC) 기반의 반복적 방법을 제시한다. 이는 보정된 광자들을 이용해 후속 비선형 과정을 일관되게 촉진함으로써 고광자수 상태를 구축한다. 루프 구조의 반복 전파와 양자 피드백을 활용함으로써, 직접 보정 방식에 비해 성공 확률이 크게 향상되며, 네 광자 상태의 경우 최대 100배의 향상이 관측되었다. 이 방법은 전통적인 기술로는 도달할 수 없는 비고전적 상태의 생성을 가능하게 하며, 주로 루프 손실에 의해 제한된다.

ABSTRACT

A scheme for the enhanced generation of higher photon-number states is realized, using an optical time-multiplexing setting that exploits a parametric down-conversion source for an iterative state generation. We use a quantum feedback mechanism for already generated photons to induce self-seeding of the consecutive nonlinear process, enabling us to coherently add photons to the light that propagates in the feedback loop. The addition can be carried out for any chosen number of round trips, resulting in a successive buildup of multiphoton states. Our system is only limited by loop losses. The looped design is rendered possible by a carefully engineered waveguide source that is compatible with and preserves the shape of the propagating mode. We compare the fidelities and success probabilities of our protocol with the common direct heralding of photon-number states. This comparison reveals that, for same the fidelity, our feedback-based setup significantly enhances success probabilities, being vital for an efficient utilization in quantum technologies. Moreover, quantum characteristics of the produced states are analyzed, and the flexibility of producing higher photon-number states with our setup beyond the common direct heralding is demonstrated.

연구 동기 및 목표

• 고광자수 Fock 상태의 직접 보정에서 기하급수적으로 감소하는 성공 확률 문제를 해결하기 위해.
• 더 높은 효율성과 정밀도를 갖춘 확장 가능한 피드백 기반의 다중광자 상태 생성 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 직접 보정 방식의 한계를 뛰어넘어 더 높은 광자수 상태를 구축할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 루프 손실이 반복적 다중광자 생성에서 비고전성과 상태 품질에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 펌프 펄스가 신호 광자들과 반복적으로 상호작용할 수 있도록 시간분할 다중화된 광학 루프와 웨이브가이드 기반의 비선형 분할(PDC) 소스를 사용한다.
• 보정된 아이델 광자가 후속 PDC 과정을 유도하는 양자 피드백 메커니즘을 적용하여 루프 내에서 광자를 일관되게 추가한다.
• 공간적 및 시간비트 다중화를 통해 단일 광자 검출기를 사용하여 보정을 위한 근사적인 광자수 해상도를 확보한다.
• 지정된 루프 수를 거친 후, 전기광학 모듈레이터를 사용해 생성된 다중광자 상태를 결정적으로 외부로 빼낸다.
• PDC 과정를 제어하고 현실적인 손실 조건 하에서 시스템을 시뮬레이션하기 위해 |ζ| ≈ 0.3의 압축 매개변수를 적용한다.
• 비고전성은 부정성 𝒩과 통계적 유의성으로 평가하여 생성된 상태의 양자적 성격을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피드백 기반의 반복적 방법이 직접 보정 대비 고광자수 Fock 상태 생성의 성공 확률을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 시간분할 피드백 아키텍처에서 루프 손실이 다중광자 상태의 비고전성과 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 여러 루프를 거친 후 최적의 보정 클릭 패턴은 무엇인가, 이를 통해 비고전성과 통계적 유의성을 최대화할 수 있는가?
• RQ4 피드백 메커니즘이 고정밀도와 비고전성을 유지하면서 n > 4 광자 수의 Fock 상태 생성을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 네 광자 상태의 경우, 피드백 기반 방법(FH)은 성공 확률 0.0316 ± 1.53×10⁻⁴ ‰을 달성하여, 유사한 정밀도 조건에서 직접 보정(DH) 대비 100배 향상되었다.
• 피드백에 의해 생성된 네 광자 상태의 정밀도는 99.98 ± 6.63×10⁻⁴ %에 도달하여, 유사 조건에서의 직접 보정보다 높았다.
• 실험에서 루프 손실로 인해 광자 수가 증가할수록 비고전성(𝒩)이 감소했지만, 손실이 없는 시뮬레이션 결과는 광자 수 증가에 따라 예상대로 증가함을 보여, 루프 손실이 주요 제한 요소임을 확인했다.
• 다섯 광자 상태에서 보정 패턴 (2,3)이 (1,4)보다 높은 탐지 이벤트 빈도 덕분에 통계적 유의성 1.0을 기록하여 더 뛰어난 성능을 보였다.
• 이 방법을 통해 비고전성 값 𝒩 ≈ -1.8×10⁻⁴와 유의성 1.7을 기록한 여섯 광자 상태를 생성함으로써, 네 광자 초과 상태 생성의 가능성은 입증되었다.
• 피드백 방식을 통한 네 광자 상태 생성의 성공 확률은 0.298 ± 0.0006으로, 유사한 정밀도 조건에서 직접 보정 방식이 달성한 0.0119 ± 9.24×10⁻⁵ ‰보다 유의미하게 높았다.