[논문 리뷰] Generation of spectrally factorable photon pairs via multi-order quasi-phase-matched spontaneous parametric downconversion

Fumihiro Kaneda, Jo Oikawa외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 22.

Photorefractive and Nonlinear Optics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준 다이폴딩 공정을 사용하여 주기적으로 도자화된 KTiOPO4(PPKTP) 결정에서 다중 순서 준위상일치(QPM)를 이용해 스펙트럼 인수 가능성이 높은 광자 쌍을 생성하는 방법을 제시한다. 공간적으로 조절된 비선형성 프로파일을 통해 >95%의 단일 광자 스펙트럼 순도를 달성하였다. 이 기법은 고정밀 제조가 필요 없이 표준 다이폴딩 공정을 활용하여 가우시안 형태에 가까운 위상일치 함수를 생성함으로써, 고순도, 저손실 광자 쌍을 생성하여 다광자 양자정보 응용 분야에 이상적이다.

ABSTRACT

For advanced quantum information technology, sources of photon pairs in quantum mechanically factorable states are of great importance for realizing high-fidelity photon-photon quantum gate operations. Here we experimentally demonstrate a technique to produce spectrally factorable photon pairs utilizing multi-order quasi-phase-matching (QPM) conditions in spontaneous parametric downconversion (SPDC). In our scheme, a spatial nonlinearity profile of a nonlinear optical crystal is shaped with current standard poling techniques, and the associated phase-matching function can be approximated to a Gaussian form. By the measurement of a phase-matching function and the second-order autocorrelation function, we demonstrate that telecom-band photon pairs produced by our custom-poled crystal are highly factorable with > 95% single-photon purity.

연구 동기 및 목표

• 초고정밀 다이폴딩 기술이 필요 없는 스케일러블하고 재현 가능한 스펙트럼 인수 가능 광자 쌍 생성 방법을 개발하기 위해.
• 양자정보 시스템에서 광자 불일치성과 게이트 정밀도를 제한하는 자발적 비선형 분할 변환(SPCD) 소스의 스펙트럼 상관관계를 줄이기 위해.
• 단일 결정에서의 다중 순서 QPM이 가우시안에 가까운 위상일치 함수를 생성할 수 있음을 보여주어 고스펙트럼 순도를 가능하게 한다.
• 실험적 JSA 시뮬레이션과 이阶 자기상관 측정을 통해 생성된 광자 쌍의 높은 인수 가능성을 검증하기 위해.
• 최소한의 양자 허브링 효율 손실로 인해 순도를 향상시킬 수 있는 경미한 스펙트럼 필터링의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 표준 다이폴딩 공정을 사용하여 주기적으로 도자화된 KTiOPO4(CPKTP) 결정에 공간적으로 조절된 비선형성 프로파일을 구현하여 다중 순서 준위상일치(QPM) 조건을 달성하였다.
• 광대역 펌프 펄스와 함께 군속도 일치(GVM)를 활용하여 스펙트럼 상관관계를 최소화하였다.
• 주파수 해상도가 있는 합성 주파수 생성(SFG)을 통해 위상일치 함수를 측정하여 공동 스펙트럼 앰플리튜드(JSA)를 특성화하였다.
• 실험적으로 측정된 위상일치 함수와 가우시안 펌프 에너지 분포를 사용하여 스펙트럼 순도를 슈미트 분해를 통해 추정하기 위해 공동 스펙트럼 앰플리튜드(JSA)를 시뮬레이션하였다.
• 신호 모드의 이阶 자기상관 함수 $g^{(2)}$ 를 측정하여 단일 광자 순도를 독립적으로 확인하였으며, $P = g^{(2)} - 1$ 로 표현하였다.
• 신호 및 아이델 모드에 13-nm 대역 평탄한 스펙트럼 필터를 적용하여 JSA의 주변 빛줄기를 선택적으로 억제함으로써 순도를 향상시키고, 허브링 효율 손실을 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 다이폴딩 비선형 결정에서 다중 순서 QPM이 가우시안에 가까운 위상일치 함수를 생성할 수 있는가? 이는 고스펙트럼 인수 가능성을 가능하게 하는가?
• RQ2 이 다중 순서 QPM 방법을 사용할 경우, 고정밀 다이폴딩이 필요 없이 통신 대역 SPDC 소스에서 단일 광자 스펙트럼 순도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ3 측정된 위상일치 함수는 이론적 기대와 어떻게 비교되는가? 그리고 주변 빛줄기의 영향은 스펙트럼 순도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스펙트럼 필터링을 통해 순도를 얼마나 더 향상시킬 수 있으며, 동시에 허브링 효율은 어느 정도 유지되는가?
• RQ5 이 방법은 실용적으로 확장 가능하며 기존의 고효율 광자 수집 기술과 호환되는가?

주요 결과

• CPKTP 결정의 실험적 측정 위상일치 함수는 주요 피크가 억제된 주변 빛줄기를 포함하여 높은 수준의 스펙트럼 인수 가능성을 가능하게 하였다.
• 측정된 위상일치 함수와 최적의 1.4 nm FWHM 펌프 대역폭을 사용하여 생성된 광자 쌍의 스펙트럼 순도를 95.6%로 추정하였으며, 이는 95% 이상의 순도를 초과하였다.
• 이阶 자기상관 측정 결과는 높은 순도를 확인하였으며, $P = g^{(2)} - 1$ 값은 시뮬레이션 기반 추정치와 뛰어난 일치를 보였다.
• CPKTP 결정의 이론적 모델링은 이상 조건 하에서 최대 97.5%의 스펙트럼 순도를 예측하였으며, 이는 측정된 함수의 더 넓은 주요 피크와 더 큰 빛줄기로 인해 실험 결과보다 略 높은 값이었다.
• 13-nm 대역 평탄한 필터를 적용함으로써 스펙트럼 순도는 99.9%로 향상되었고, 스펙트럼 허브링 효율은 오직 0.5% 감소에 그쳤다. 이는 거의 이상적인 인수 가능성을 향한 실용적인 길을 보여주었다.
• 이 방법은 고정밀 다이폴딩 기술이 필요 없이 표준 다이폴딩 공정을 활용하여 고스펙트럼 순도를 달성함으로써, 다광자 양자정보 시스템에 통합하기 위한 확장성과 재현 가능성을 확보하였다.