[논문 리뷰] High-efficiency single-photon generation via large-scale active time multiplexing

Fumihiro Kaneda, Paul G. Kwiat|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 13.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 저손실 소스에서 유도된 단일광자에 대해 대규모 능동적 시간 분할 다중화를 사용하여 고효율이며 구분 불가능한 단일광자 생성을 구현한다. 조절 가능한 지연선을 통해 40개의 시간 영역을 다중화함으로써 저자들은 기록적인 66.7%의 광섬유 결합 단일광자 확률과 약 90%의 구분 불가능성 확보를 달성하였으며, 이는 확장 가능한 양자광학에서 다중광자 동시성 확률을 수개의 주기로 향상시킨다.

ABSTRACT

On-demand generation of indistinguishable single- and multi-photon states is a key technology for scaling up optical quantum information and communication applications. Nonlinear parametric photon-pair sources and heralded single-photon sources (HSPSs) had been the most standard resource of quantum information applications for decades. However, the intrinsic uncertainty of the produced number of photon pairs in such sources is a critical drawback that prevents on-demand photon-pair and heralded single-photon generation. Here we demonstrate large-scale time multiplexing of indistinguishable heralded single photons, employing a low-loss HSPS and adjustable delay line. We observed 66.7% presence probability of single-photon states collected into a single-mode optical fiber by multiplexing 40 periodic time bins of heralded single photons. To our knowledge, this is the highest fiber-coupled single-photon probability achieved to date. A high indistinguishability (~90%) of our time-multiplexed photons has also been confirmed. We also experimentally investigate trade-off relations of single-photon probability and unwanted multi-photon contribution by using different pump powers for a HSPS. Our results demonstrate that low-loss, large-scale multiplexing can realize highly efficient single-photon generation as well as highly scalable multi-photon generation from inefficient HSPSs. We predict that our large-scale time multiplexing will pave the way toward generation of > 30 coincident photons with unprecedented efficiencies, enabling a new frontier in optical quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 스포ontaneous parametric down-conversion (SPDC) 소스의 비결정성으로 인해 매 펄스당 최대 25%의 단일광자 생성 확률에 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 확장 가능한 광학 양자 컴퓨팅 및 양자 통신에 필수적인 고효율 단일광자 생성과 구분 불가능성을 동시에 달성하기 위해.
• 단일 HSPS와 조절 가능한 지연선을 사용하여 유도된 단일광자를 대규모로 저손실 시간 다중화하고, 이를 단일 출력 모드로 유도하기 위해.
• 다중화 후 스펙트럼 및 시간적 구분 불가능성을 유지함으로써 고정밀 다중광자 간섭을 가능하게 하기 위해.
• 30개 이상의 동시광자 생성이 사전 예측 가능하고 실현 가능함을 입증함으로써 양자 우세 실험을 발전시키기 위해.

제안 방법

• 주기적으로 도자된 KTP 결정에서의 스폰타니어스 파라메트릭 다운컨버전션(SPDC) 기반의 저손실 유도 단일광자 소스(HSPS)를 사용하며, 보조광자를 감지하여 신호광자를 유도한다.
• 조절 가능한 지연선을 통해 신호광자의 도착 시간을 펌프 반복 주기 τ의 정수 배수만큼 이동시켜 40개의 고유한 시간 영역에서 시간 영역 다중화를 수행한다.
• 현장 프ogram 가능 게이트 어레이(FPGA)는 포켈스 셀 기반 광학 스위치를 제어하여, 보조광자 감지 시간에 따라 40개의 시간 영역 중 어느 곳이든 유도된 신호광자를 단일 출력 광섬유 모드로 유도한다.
• 시스템은 500 kHz 반복 주기의 펌프와 고효율 단일광자 검출기를 사용하여 다중광자 노이즈를 최소화하고 유도 확률을 최대화한다.
• 홍-오우-마탕 간섭(Hong-Ou-Mandel interference, HOMI)을 사용하여 다중화된 광자와 비다중화된 HSPS의 광자를 간섭시켜 구분 불가능성을 측정한다.
• 다중화된 유도 확률은 $ P_H = 1 - (1 - p)^N $로 계산되며, 여기서 $ p $는 각 모드당 유도 확률이고 $ N = 40 $는 시간 영역의 수이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 시간 다중화가 기존 SPDC 소스의 25% 한계를 초월하여 단일모드 광섬유에 단일광자를 생성할 확률을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 조절 가능한 지연선 통과 후 유도된 단일광자의 구분 불가능성은 어느 정도 유지되는가?
• RQ3 HSPS의 펌프 전력을 변화시킬 경우 단일광자 생성 확률과 다중광자 노이즈 사이의 상충 관계는 어떻게 되는가?
• RQ4 시간 다중화된 HSPS는 보송 샘플링이나 양자 산책과 같은 확장 가능한 양자 우세 실험을 가능하게 할 정도의 다중광자 동시성 확률을 달성할 수 있는가?
• RQ5 현재 최첨단 구성 요소를 활용해 30개 또는 50개 광자 동시성 확률을 향상시키기 위해 가능한 개선 사항은 무엇인가?

주요 결과

• 40개의 시간 영역 모드에서 유도된 광자를 다중화함으로써 단일모드 광섬유에 단일광자를 수집할 수 있는 기록적인 66.7 ± 2.4%의 확률을 실험적으로 달성하였다.
• 홍-오우-마탕 간섭(HOMI)을 통해 시간 다중화된 광자의 구분 불가능성이 확인되었으며, 평균 광자 수 μ = 0.004일 때 배경 제거 후 시각화도 91 ± 4%를 기록하였다.
• 더 높은 펌프 전력(μ = 0.18) 조건에서는 HOM 시각화도가 77 ± 3%로 떨어졌지만, 배경 보정 후에도 구분 불가능성이 약 90%로 유지되어 스펙트럼 및 시간적 위상 일관성이 유지됨을 시사하였다.
• 소스는 약 10^4개의 10광자 동시성 확률을 달성하였으며, 이는 비다중화된 SPDC 소스(예: Wang et al., 2016, 약 0.1개/초)에 비해 5개의 주기 향상된 것이다.
• 더 높은 효율의 단일광자 검출기 및 향상된 구성 요소를 적용할 경우, 30광자 동시성 확률은 약 10^4개/초, 50광자 동시성 확률은 1개/초를 초과할 것으로 예측하였다.
• 이 방법은 이전 최대치인 약 38.6%에 비해 단일광자 수집 확률 $ P_1 $ 측면에서 모든 다른 최첨단 소스를 능가하며, 66.7%의 높은 성능을 달성하였다.