[논문 리뷰] Efficient time-bin qubit analyzer compatible with multimode optical channels

Jeongwan Jin, Sascha Agne외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 24.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중모드 광채널에서 공간 모드 매칭을 유지하는 피사모드 기반의 수동 시간-빈 큐비트 분석기를 제안하며, 강한 모드 왜곡에도 불구하고 89%의 간섭 시야도를 달성한다. 이는 고정밀도 시간-빈 큐비트 측정을 가능하게 하며, 편광 큐비트와의 얽힘을 입증하여 다중모드 링크를 통한 양자 통신의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Time-bin encoded photonic qubits are robust against decoherence in birefringent media such as optical fibers, which has led to many successful quantum communication demonstrations, including a Mach-Zehnder interferometer-based system, plug-and-play quantum key distribution (QKD), differential phase shift (DPS) and coherent one-way (COW) protocols, quantum teleportation, and elements of quantum repeaters. Despite these successes, time-bin encoding is considered impractical for turbulent free-space or multimode fiber channels, because spatial and temporal mode distortions hinder the interference required for analysis of time-bin superposition states. Here we present an efficient time-bin qubit analyzer, assisted by passive relay optics, that matches the spatial mode of the interfering paths. Our system demonstrates interference visibility of 89 %, even for strongly distorted optical input modes emerging from multimode fiber under variable angles of incidence. We measure a high level of entanglement between a time-bin qubit and a separate polarization qubit, thereby demonstrating the feasibility of time-bin based quantum communication over optical multimodal links.

연구 동기 및 목표

• 시간-빈 큐비트 간섭을 악화시키는 다중모드 섬유 및 난류 없는 자유공간 채널에서의 공간적·시간적 모드 왜곡 문제를 해결한다.
• 기존 간섭계 방법이 모드 불일치로 인해 실패하는 다중모드 광링크에서 실용적인 시간-빈 큐비트 분석을 가능하게 한다.
• 왜곡된 다중모드 환경에서 높은 정밀도의 시간-빈 큐비트 측정과 편광 큐비트와의 얽힘을 입증한다.
• 기존 QKD 및 양자 텔레포테이션과 같은 양자 통신 프로토콜과 호환되는 수동적이고 내구성 있는 솔루션을 개발한다.

제안 방법

• 시간-빈 큐비트 간섭계의 두 간섭 경로의 공간 모드를 일치시키기 위해 수동 릴레이 광학을 구현한다.
• 시간-빈 인코딩을 사용한 맥스-젠더 간섭계 구성으로 초위상 상태를 분석한다.
• 다양한 입사각에서 발생하는 다중모드 섬유에 의한 모드 왜곡을 보상하는 릴레이 시스템을 도입한다.
• 입력 모드 왜곡에도 불구하고 간섭 시야도를 유지하기 위해 위상 안정성과 경로 간 공간적 오버랩을 유지한다.
• 성능 검증을 위해 간섭 시야도와 얽힘 허용도 지표를 사용해 시스템을 특성화한다.
• 채널 왜곡이 존재하는 상황에서 시간-빈 큐비트와 편광 큐비트의 공동 측정을 수행하여 얽힘을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 광학 릴레이 시스템은 다중모드 섬유에서 공간 모드 매칭을 복원하여 고시야도의 시간-빈 큐비트 간섭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 다양한 입사각에서 발생하는 다중모드 섬유의 강한 공간 모드 왜곡 조건에서도 시스템은 간섭 시야도를 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ3 제안된 분석기를 사용해 다중모드 채널을 통해 전송된 시간-빈 큐비트와 편광 큐비트 사이의 얽힘은 유지되는가?
• RQ4 제안된 분석기는 QKD나 양자 텔레포테이션과 같은 기존 시간-빈 기반 양자 통신 프로토콜을 다중모드 환경에서 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 입사각이 다양할 때 다중모드 섬유에 의해 강하게 왜곡된 입력 모드 조건에서도 시스템은 89%의 간섭 시야도를 달성한다.
• 수동 릴레이 광학이 공간 모드 왜곡을 효과적으로 보상하여 다중모드 채널에서 안정적인 간섭을 가능하게 한다.
• 시간-빈 큐비트와 별개의 편광 큐비트 사이에 높은 정밀도의 얽힘을 입증하여 시스템 내 양자 코herence를 확인한다.
• 분석기는 다중모드 광링크에서 실용적인 시간-빈 큐비트 측정을 가능하게 하여 자유공간 및 다중모드 섬유 양자 통신의 주요 한계를 극복한다.