[논문 리뷰] Engineering large-scale entanglement in the quantum optical frequency comb: influence of the quasiphasematching bandwidth and of dispersion

Pei Wang, Wenjiang Fan외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 26.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 광학 주파수 조합을 생성하는 광학 주기적 양자발진기(OPO)를 통해 대규모 연속 변수 얽힘의 한계를 조사한다. 비정상 위상 일치(Quasi-phase-matching, QPM) 대역폭과 분산이 함께 얽힘 확장성에 제약을 가하며, 분산을 보상할 경우 이론적 최대 6,700개의 얽힌 큼모드를 달성할 수 있으나, 현재 설정에서 분산이 존재함에 따라 실용적 한계는 3,200개의 큼모드이다.

ABSTRACT

One of the most scalable methods for continuous-variable quantum computing is to encode quantum information in the quantum optical frequency comb generated by an optical parametric oscillator (OPO). The scalability is limited by the quasiphasematching bandwidth and dispersion of the OPO. We study both factors in this article. The results show that 3200 qumodes are probably entangled in our recent demonstration of a record 60-qumode entanglement.

연구 동기 및 목표

• OPO로 생성된 양자 광학 주파수 조합(QOFC)에서 얽힘 확장성의 기본 한계를 규명하는 것.
• 비정상 위상 일치(QPM) 대역폭과 군속도 분산이 얽힌 큼모드 수에 미치는 영향을 조사하는 것.
• KTiOPO4 결정 내 분산이 OPO 실험에서 얽힌 모드 수를 제한하는지 평가하는 것.
• 분산 보상이 비정상 위상 일치 대역폭의 전반적 잠재력을 복원하고 얽힘 스케일을 증가시킬 수 있는지 평가하는 것.
• 비정상 위상 일치 및 분산 기반 이론적 확장성 한계와 실험적 60개 큼모드 얽힘 기록 간의 일치를 조율하는 것.

제안 방법

• 비정상 위상 일치된 주기적 흡수체를 갖는 KTiOPO4(PPKTP) 결정에서의 비선형 주파수 혼합을 이론적으로 모델링하여 QPM 대역폭을 특성화하는 것.
• 천천히 변화하는 진폭 근사와 연관된 파동 방정식을 사용하여 결정 내 비선형 광학 과정을 기술하는 것.
• 군속도 분산(GVD)과 캐비티 이탈을 고려한 수정된 연관 모드 방정식을 사용해 OPO 분산을 수치 시뮬레이션하는 것.
• 선형 및 이차 분산 효과를 포함한 공진 모드 주파수에 대한 근사 해석적 해를 유도하는 것.
• 이론적 예측을 비선형 주파수 혼합 효율의 실험 측정치와 비교하여 QPM 대역폭을 결정하는 것.
• 분산 조건 하에서 PDC 생성 모드와 OPO 캐비티 모드 간의 겹침을 평가하여 최대 얽힌 큼모드 수를 추정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 532 nm 레이저로 구동되는 주기적 흡수체 KTiOPO4(PPKTP) 결정에서의 비정상 위상 일치된 주파수 혼합에 대한 단일 주기 PPKTP 결정의 내재적 비정상 위상 일치 대역폭은 얼마인가?
• RQ2 KTP 결정 내 군속도 분산이 OPO 캐비티의 공진 모드 간격과 PDC 생성 모드 및 OPO 캐비티 모드 간의 겹침에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 OPO 실험에서 얽힌 큼모드 수를 제한하는 요소는 비정상 위상 일치 대역폭인지, 분산 효과인지?
• RQ4 분산 보상이 비정상 위상 일치 대역폭의 전반적 잠재력을 얼마나 복원할 수 있는가?
• RQ5 현재 OPO 설정에서 비정상 위상 일치 및 분산를 고려할 때 이론적으로 달성 가능한 최대 얽힌 큼모드 수는 얼마인가?

주요 결과

• 1cm 길이의 PPKTP 결정에서 비정상 위상 일치된 주파수 혼합의 비정상 위상 일치 대역폭은 최대 효율의 99%에서 4.74 THz이며, 이는 이론적으로 최대 6,700개의 얽힌 큼모드를 가능하게 한다.
• 실험적으로 측정된 QPM 대역폭은 레이저의 주파수 조정 범위에 의해 제한되어 3.18 THz이며, 진정한 대역폭의 하한선을 나타낸다.
• 군속도 분산은 OPO 캐비티의 공진 모드가 균일하지 않게 되게 하여 PDC 생성 모드와의 겹침을 감소시키고 공진 증폭을 약화시킨다.
• 대칭 모드 쌍의 평균 주파수는 중심 주파수에서 각 모드 쌍당 약 7.77 Hz 이격되며, m ≈ 800개 모드에서 누적 이격은 5 MHz에 도달한다.
• 분산의 영향으로 인해 효과적인 얽힌 큼모드 수는 3,200개로 제한되며, 이는 QPM 대역폭이 최대 6,700개 모드를 지원함에도 불구하고 그렇다.
• 분산 보상은 PDC 모드를 OPO 캐비티 공진에 재정렬함으로써 전체 6,700개 모드의 얽힘 잠재력을 복원할 수 있다.