[논문 리뷰] Controllable generation of highly nonclassical states from nearly pure squeezed vacua

Kentaro Wakui, H. Takahashi외 2명|CERN Bulletin|2006. 09. 20.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 120

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 폴링된 KTiOPO4(PPKTP)를 사용한 광학적 비선형 효과를 통해 생성된 거의 순수한 압축된 진공 상태에서 광자를 제거하는 방식으로, 단일 광자 상태 및 셰르레딩어 고양이 상태와 같은 매우 비고전적인 빛 상태를 제어 가능한 방법으로 생성하는 기법을 제시한다. 이 방법은 관측된 바 중 가장 깊은 음성 Wigner 함수의 극값을 달성하여, 펌프 파워를 조절함으로써 압축 정도를 정밀하게 제어함으로써 높은 비고전성을 입증한다. W(0,0) = −0.065이다.

ABSTRACT

We present controllable generation of various kinds of highly nonclassical states of light, including the single photon state and superposition states of mesoscopically distinct components. The high nonclassicality of the generated states is measured by the negativity of the Wigner function, which is largest ever observed to our knowledge. Our scheme is based on photon subtraction from a nearly pure squeezed vacuum, generated from an optical parametric oscillator with a periodically-poled KTiOPO$_4$ crystal as a nonlinear medium. This is an important step to realize basic elements of universal quantum gates, and to serve as a highly nonclassical input probe for spectroscopy and the study of quantum memory.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자 및 매크로스코픽적으로 구분되는 초위상 상태(셰르레딩어 고양이 상태)를 포함한 매우 비고전적인 광학적 상태를 제어 가능한 방법으로 생성하는 것.
• 이전의 광자 제거 기법의 한계를 극복하기 위해 거의 순수한 압축된 진공 상태를 입력으로 사용함으로써, 촉발 광자 검출에서 높은 신호 대 잡음비를 확보하는 것.
• 이전에 관측된 바 중 가장 깊은 음성 Wigner 함수 극값을 달성하여 연속 변수 양자 상태의 비고전성에 대한 기준을 설정하는 것.
• 펌프 파워 조절을 통해 압축 수준을 제어함으로써 단일 광자 영역에서 매크로스코픽 초위상 영역으로의 연속적인 전이를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 주기적으로 폴링된 KTiOPO4(PPKTP) 결정을 사용한 연속파 광학적 비선형 효과기구(OPO)를 이용해 거의 순수한 압축된 진공 상태를 생성한다.
• 작은 비율의 압축된 빛을 촉발 신호로 추출하기 위해 탭핑 비스플리터(TBS)를 사용한다.
• 상업용 Si-APD와 세 개의 필터링 공진기 구조를 사용해 촉발 광자를 검출하며, 검출 과정은 온/오프 양자측정장치(POVM)로 모델링된다.
• 촉발 광자 검출에 따라 경로 A의 출력 상태를 조건화함으로써 광자 제거된 압축된 상태를 얻는다.
• 신호 모드를 정의하기 위해 모드 함수 전개를 적용하며, 최적의 모드 함수는 상태 재구성에서 제곱 오차를 최소화함으로써 결정된다.
• 공분산 행렬과 온/오프 검출기 모델을 사용해 Wigner 함수를 구성하며, 실험적 불완전성을 보정하기 위해 효과적 투과도, 손실 및 노이즈 매개변수를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거의 순수한 압축된 진공 상태에서 광자를 제거함으로써 이전에 달성된 바보다 더 깊은 음성 Wigner 함수 극값을 갖는 매우 비고전적인 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 펌프 파워로 제어되는 압축 수준은 단일 광자 상태와 매크로스코픽 초위상 상태 사이의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 손실과 검출기 노이즈와 같은 실험적 불완전성은 Wigner 함수의 음성 성질을 얼마나 잘 보존할 수 있는가?
• RQ4 이 기법은 양자 정보 처리 및 양자 미세 측정에 적합한 고정밀도, 제어 가능한 비고전적 상태 생성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 기법은 관측된 바 중 가장 깊은 음성 Wigner 함수 극값을 달성하였으며, W(0,0) = −0.065로 기록을 경신하였다. 이는 이전 결과인 단일 광자 상태의 −0.04 및 셰르레딩어 고양이 상태의 −0.026보다 현저히 깊다.
• 높은 비고전성은 거의 순수한 압축된 진공 상태를 입력으로 사용함으로써 가능해졌으며, 이는 작은 빛 비율(1–10%)에서의 촉발 광자 검출이 효율적이고 높은 신호 대 잡음비를 확보할 수 있음을 의미한다.
• 손실 및 검출기 노이즈를 철저히 모델링함으로써 Wigner 함수의 음성 성질이 실험적 불완전성에 대해 강건함을 입증하였으며, 고수준의 압축 수준에서의 품질 저하를 설명하기 위해 압축 수준에 따라 변하는 손실 모델(τs(z) = τs0 − κz²)을 현상학적으로 도입하였다.
• 펌프 파워 조절을 통해 압축 수준을 제어함으로써 단일 광자 영역에서 매크로스코픽 초위상 영역으로의 연속적인 전이가 가능해졌다.
• 온/오프 검출기 POVM과 공분산 행렬 기반 이론 모델링이 실험 데이터를 정확히 재현하였으며, 이는 상태 재구성의 타당성을 검증한다.