[논문 리뷰] Engineered optical nonlinearity for a quantum light source

Agata M. Brańczyk, Alessandro Fedrizzi외 2명|Queensland's institutional digital repository (The University of Queensland)|2010. 05. 18.

Photonic and Optical Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 페어링된 KTP 결정의 비선형성 프로파일을 설계하여 자발적 파라메트릭 다운컨version에서 발생하는 광자 쌍의 공동 스펙트럴 앰플리튜드를 형상화함으로써, 위상 일치 조건을 변경하지 않은 채 가우시안 위상 일치 함수를 달성하고자 한다. 이 방법은 설계된 비선형성에 의해 시그moid 함수의 부가 와이브레이션을 제거함으로써 고순도의 스펙트럼적으로 비상관된 단일 광자를 가능하게 하며, 이는 이중광자 간섭 및 수치 시뮬레이션을 통해 공동 스펙트럴 앰플리튜드의 분리 가능성을 확인하였다.

ABSTRACT

Single-photon pairs created in the nonlinear process of spontaneous parametric downconversion form the backbone of fundamental and applied experimental quantum information science. Many applications benefit from careful spectral shaping of the single-photon wave-packets. In this paper we tailor the joint spectral wave-function of downconverted photons by modulating the nonlinearity of a poled crystal without affecting the phase-matching conditions. We designed a crystal with a Gaussian nonlinearity profile and confirmed successful wave-packet shaping by two-photon interference experiments. We numerically show how our method can be applied for attaining one of the currently most important goals of single-photon quantum optics, the creation of pure single photons without spectral correlations.

연구 동기 및 목표

• 표준 주기적으로 페어링된 결정에서 발생하는 시그moid 형태의 위상 일치 함수로 인해 발생하는 허브리드 단일 광자 소스의 스펙트럼 상관관계를 극복하기 위해.
• 원천에서 공동 스펙트럴 앰플리튜드를 형상화하여 고순도 단일 광자를 생성할 때 스펙트럼 필터링이 필요 없도록 하기 위해.
• 준위상 일치 결정에서 설계된 비선형성 프로파일을 이용하여 분리 가능한, 스펙트럼적으로 순수한 단일 광자 상태를 생성하는 방법을 제시하기 위해.
• 이중광자 간섭 및 공동 스펙트럴 앰플리튜드 설계를 통한 수치 시뮬레이션을 통해 접근법을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 고차 페어링을 사용하여 균일하지 않은 약간 가우시안 형태의 비선형성 프로파일을 갖는 결정을 설계함으로써, 이산적인 구간들 사이에서 효과적인 비선형성이 변화하도록 유도하기 위해.
• 비선형성 프로파일 χ(z)의 푸리에 변환을 사용하여 위상 일치 함수 Φ(ωi, ωs)를 형상화하고, 목표로 하는 가우시안 형태 ΦG(ΔkL/2) = exp(−γ(ΔkL/2)²)를 얻고자 함.
• 일반적인 단색 펌프를 사용하여 주파수 μp를 이용해 공동 스펙트럴 앰플리튜드 f(ωi, ωs) ∝ α(ωi+ωs)Φ(ωi, ωs)로 고립시키며, 여기서 α는 델타 함수임.
• 다양한 페어링 차수 m과 듀티 사이클을 사용한 이산 도메인 페어링을 통해 연속적인 가우시안 프로파일을 근사함으로써 원하는 비선형성을 달성하기 위해.
• 기본 모델과 세부 모델을 모두 사용하여, 결과적으로 도출된 위상 일치 함수를 이상적인 가우시안 함수 및 표준 sinc 함수와 비교함으로써 방법의 타당성을 검증하기 위해.
• 그룹 속도 일치와 함께 비선형성 설계를 조합하여 분리 가능한 공동 스펙트럴 앰플리튜드를 생성함으로써, 필터링 없이 순수한 단일 광자 상태를 생성할 수 있도록 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페어링 주기를 변경하지 않고 비선형성 프로파일을 조절함으로써 주기적으로 페어링된 결정의 위상 일치 함수를 가우시안 형태로 설계할 수 있는가?
• RQ2 가우시안 위상 일치 함수는 스펙트럼 부가 와이브레이션을 제거하고 광자 쌍의 스펙트럼 상관관계를 감소시키는가?
• RQ3 비선형성 설계를 통해 공동 스펙트럴 앰플리튜드를 분리 가능하게 만들 수 있는가? 이는 고순도의 허브리드 단일 광자를 가능하게 하는가?
• RQ4 연속적인 가우시안 비선형성 프로파일의 이산적 근사가 도출된 위상 일치 함수에 어떤 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 삼각형 또는 톱니형 프로파일과 같은 다른 형상의 위상 일치 함수를 생성하기 위해 이 방법을 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 특수 페어링된 KTP 결정이 비균일한 비선형성 프로파일을 갖추고 있어, 이론적 및 표준 ppKTP 결과와의 비교를 통해 목표로 한 가우시안 형태에 매우 가까운 위상 일치 함수를 성공적으로 생성하였다.
• 이중 가우시안의 회전 대칭성 덕분에 공동 스펙트럴 앰플리튜드가 분리 가능해졌으며, f(ωi, ωs) = g(ωi)h(ωs) 형태로 표현되었고, 이는 스펙트럼적으로 비상관된 광자를 가능하게 하였다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 설계된 결정 구조가 표준 ppKTP 결정과 달리 부가 와이브레이션 없이 공동 스펙트럴 앰플리튜드를 달성함을 확인하였다.
• 이중광자 간섭 실험을 통해 웨이브패킷 형상화의 성공을 확인하였으며, 설계된 스펙트럼 프로파일과 일치하는 높은 해상도 간섭 무늬를 관측하였다.
• 이 방법은 부가 와이브레이션이 필터링이 필요한 원인이 되므로, 가우시안 PMF 덕분에 스펙트럼 필터링 없이도 고순도의 단일 광자를 생성할 수 있다.
• 비선형성 프로파일을 적절히 조절함으로써 삼각형 및 톱니형 프로파일과 같은 다른 형상의 위상 일치 함수로도 이 방법을 확장할 수 있다.