[논문 리뷰] Fibre based hyperentanglement generation for dense wavelength division multiplexing

Panagiotis Vergyris, Florent Mazeas외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 12.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 38인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 주로 통신 파장에서 편광 및 에너지-시간 양자 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위한 완전히 섬유 통합된 소스를 제시한다. 이는 주기적으로 극성된 리튬니오브산나이트(PPKTP) 웨이브가드를 갖춘 샹카르 간섭계를 활용한 것이다. 네트워크에서 사용 가능한 다중화된 광대역 소스를 다섯 개의 DWDM 채널에 걸쳐 병렬 처리함으로써, 효과적인 양자 채널 용량이 10배 증가하였으며, 모든 채널에서 27 표준편차를 초월하는 일반화된 벨 부등식 위반을 입증하여 고정밀도의 양자 얽힘 상태를 확인하였다. 이는 실용적인 양자 네트워크에 적합한 상태임을 시사한다.

ABSTRACT

Entanglement is a key resource in quantum information science and associated emerging technologies. Photonic systems offer a large range of exploitable entanglement degrees of freedom such as frequency, time, polarization, and spatial modes. Hyperentangled photons exploit multiple degrees of freedom simultaneously to enhance the performance of quantum information protocols. Here, we report a fully guided-wave approach for generating polarization and energy-time hyperentangled photons at telecom wavelengths. Moreover, by demultiplexing the broadband emission spectrum of the source into five standard telecom channel pairs, we demonstrate compliance with fibre network standards and improve the effective bit rate capacity of the quantum channel up to one order of magnitude. In all channel pairs, we observe a violation of a generalised Bell inequality by more than 27 standard deviations, underlining the relevance of our approach.

연구 동기 및 목표

• 통신 파장에서 고정밀도의 양자 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위한 완전히 유도파형이며 섬유 호환 가능한 플랫폼을 개발하는 것.
• 양자 채널 용량을 크게 향상시키기 위해 양자 얽힌 상태를 밀도 분할 다중화(DWDM)하는 것.
• 여러 개의 DWDM 채널에 걸쳐 동시에 편광 및 에너지-시간 얽힘을 측정하는 것.
• 일반화된 벨 부등식 위반과 양자 토모그래피를 통한 진정된 양자 얽힘의 검증을 통해 시스템의 실용성을 입증하는 것.
• 기존의 엔트레인지먼트 소스의 한계를 극복하기 위해, 고율 전송이 가능한 확장 가능한 고비트레이트 양자 네트워크를 위한 양자 얽힘과 다중화를 융합하는 것.

제안 방법

• 주기적으로 극성된 리튬니오브산나이트(PPLN) 웨이브가드를 갖춘 완전히 섬유 커플링된 샹카르 간섭계가 자발적 4파면 혼합을 통해 편광 얽힌 광자 쌍을 생성한다.
• 이 소스는 1560 nm 중심의 광대역 방출을 생성하며, 섬유 기반 다중화 장치를 통해 5개의 표준 100 GHz ITU-그리드 DWDM 채널 쌍으로 스펙트럼 분할된다.
• 에너지-시간 얽힘은 비대칭 맥스-젠더 간섭계(MI)를, 편광 얽힘은 고정자판(HWP)과 편광 분리기(PBS)를 사용하여 동시에 분석된다.
• 모든 채널 쌍에 걸쳐 동시 검출을 통해 양자 얽힘 상태가 확인되었으며, 검출은 표준 초도체 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPDs)를 사용하여 수행된다.
• 일반화된 벨 부등식 시험은 연산자 β = β₁ ⊗ β₂를 사용하여 수행되며, 여기서 β₁과 β₂는 각각 에너지-시간 및 편광 자유도에 대한 벨 연산자를 나타낸다.
• 최대우도 토모그래피를 통해 생성된 양자 얽힌 상태의 품질을 평가하여 정밀도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 섬유 통합된 플랫폼이 기존의 광학 네트워크와 호환되는 통신 파장에서 고정밀도의 양자 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 양자 얽힌 상태의 파장 분할 다중화가 양자 통신 채널의 효과적 비트레이트를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 구성 요소 교체 없이 동시에 여러 자유도(편광 및 에너지-시간)의 얽힘 측정이 가능할 수 있는가? 이는 정확한 특성화를 보장하는가?
• RQ4 다중화된 양자 얽힌 상태에서 일반화된 벨 부등식의 위반 정도는 얼마이며, 이는 진정된 양자 비국소성의 확인을 위한가?
• RQ5 다중화된 양자 얽힌 광자 소스의 성능은 전통적인 단일 채널 엔트레인지먼트 소스에 비해 동시 검출률과 확장성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 모든 다섯 개의 DWDM 채널 쌍에서 일반화된 벨 부등식 위반은 27 표준편차를 초월하여 진정된 양자 얽힘 상태를 확인하였다.
• 에너지-시간 벨 연산자 값은 |⟨β₁⟩| = 2.69 ± 0.01로 측정되었으며, 편광 연산자는 |⟨β₂⟩| = 2.72 ± 0.02로 측정되었으며, 둘 다 국소 실재성의 한계인 2를 초월하였다.
• DWDM 적용 시 검출된 동시 검출률은 500 cps(각 채널당 100 cps)에 도달하였고, DWDM 미적용 시에는 200 cps로, 이는 효과적 비트레이트 용량의 상당한 증가를 보여주었다.
• DWDM 필터로 인한 각 광자당 3 dB의 추가 손실이 존재하더라도, 채널당 쌍 생성률이 높기 때문에 다중화된 방식이 비다중화된 방식보다 우수한 성능을 보였다.
• 편광 및 에너지-시간 측정 모두에서 높은 해상도(≥98%)를 유지하였으며, 잔여 해상도 손실은 편광 의존성 손실 및 비이deal한 웨이브플레이트 동작으로 기인하였다.
• 최대우도 토모그래피를 통해 고정밀도의 양자 얽힌 상태가 확인되었으며, 이는 관측된 벨 부등식 위반과 일치하는 품질 지수를 보였다.