[논문 리뷰] Highly multimode visible squeezed light with programmable spectral correlations through broadband up-conversion

Federico Presutti, Logan G. Wright외 5명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 11.

Photorefractive and Nonlinear Optics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광역 적응 주파수 변환(AFC)을 사용하여 적외선 압축 상태를 가시광선 스펙트럼으로 이동시킴으로써, 약 400개 이상의 주파수 모드와 한 번의 촬영당 약 700개의 광자를 가진 고다양성 가시광선 압축광을 생성함을 보여준다. 이 방법은 스펙트럼 상관관계를 프로그래밍 가능하게 조절할 수 있으며, 단일 EMCCD 카메라를 사용한 효율적이고 고정밀 측정을 가능하게 하여 스케일러블 주파수 인코딩 양자 정보 처리를 위한 컴act하고 자원 소모가 적은 길을 제시한다.

ABSTRACT

Multimode squeezed states of light have been proposed as a resource for achieving quantum advantage in computing and sensing. Recent experiments that demonstrate multimode Gaussian states to this end have most commonly opted for spatial or temporal modes, whereas a complete system based on frequency modes has yet to be realized. Instead, we show how to use the frequency modes simultaneously squeezed in a conventional, single-spatial-mode, optical parametric amplifier when pumped by ultrashort pulses. Specifically, we show how adiabatic frequency conversion can be used not only to convert the quantum state from infrared to visible wavelengths, but to concurrently manipulate the joint spectrum. This near unity-efficiency quantum frequency conversion, over a bandwidth >45 THz and, to our knowledge, the broadest to date, allows us to measure the state with an electron-multiplying CCD (EMCCD) camera-based spectrometer, at non-cryogenic temperatures. We demonstrate the squeezing of >400 frequency modes, with a mean of approximately 700 visible photons per shot. Our work shows how many-mode quantum states of light can be generated, manipulated, and measured with efficient use of hardware resources -- in our case, using one pulsed laser, two nonlinear crystals, and one camera. This ability to produce, with modest hardware resources, large multimode squeezed states with partial programmability motivates the use of frequency encoding for photonics-based quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 다양한 주파수 모드 기반 연속변수 양자 시스템을 완전히 실현하기 위해 다중모드 압축광을 사용한다.
• 가시광선 영역에서 고대역폭, 다중모드 양자 상태를 검출하고 조작하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 스펙트럼 상관관계를 유지하고 제어하는 효율적이고 고처리량의 주파수 변환을 구현한다.
• 단일 레이저, 두 개의 결정체, 그리고 단일 카메라만을 사용하여 대규모 다중모드 가우시안 양자 상태의 실용적이고 자원 소모가 적은 구현을 가능하게 한다.

제안 방법

• 1550 nm에서 가시광선에 가까운 가시광선 영역에서 고다양성 압축 진공을 생성하기 위해 비가역성 광학 파라메트릭 앰플리피어(DOPA)를 사용한다.
• 1033 nm 펌프를 사용하여 광역 적응 주파수 변환(AFC)을 적용하여 압축 상태를 가시광선 파장(620 nm)으로 변환하며, 양자 상관관계를 유지한다.
• 펌프의 스펙트럼-시간 프로파일을 조절하여 출력의 공동 스펙트럼 구조를 제어함으로써 프로그래밍 가능한 스펙트럼 상관관계를 가능하게 한다.
• 최종 상태를 주파수 해상도가 있는 전자 증폭형 CCD(EMCCD) 카메라를 사용하여 측정하며, 이는 이산 주파수 영역에서 광자 수를 감지한다.
• 시스템을 선형 유니터리 변환과 공분산 행렬을 사용하여 모델링하여 적외선 모드에서 가시광선 모드로의 양자 상태 진화를 기술한다.
• 검출기 효율성과 어둠의 광자 수율 레이트 등의 매개변수를 사용하여 실험 결과를 고전적 시뮬레이션 가능 범위와 비교함으로써, 양자 우월성 잠재력 평가를 수행한다.

Figure 4: Preparing the joint spectrum via frequency conversion. By pulse shaping the AFC pump $A(\omega_{\text{p}})$ , we can modify the linear unitary transformation $U$ performed by the AFC process, hence the state and the measured spectral photon-number correlations. The pump spectral intensity

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광역 주파수 변환을 통해 프로그래밍 가능한 스펙트럼 상관관계를 가진 고다양성 가시광선 압축광을 생성할 수 있는가?
• RQ2 어느 정도의 적응 주파수 변환이 다중모드 압축 상태의 얽힘 구조를 유지하고 제어할 수 있는가?
• RQ3 EMCCD 기반 주파수 해상도 광자 수측정이 비냉각 온도에서 대규모 다중모드 양자 상태를 고정밀도, 고처리량으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 펌프 대역폭은 변환된 다중모드 상태의 연결성과 얽힘 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제로 사용 가능한 EMCCD 카메라 매개변수를 고려할 때, 가우시안 보존 샘플링에서의 실용적 양자 우월성의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 실험은 한 번의 촬영당 약 700개의 광자를 가진 400개 이상의 주파수 모드를 가진 가시광선 압축광을 생성하는 데 성공했다.
• 광역 적응 주파수 변환은 최대 45 THz 이상의 변환 대역폭을 확보하여 지금까지 가장 넓은 대역폭을 기록했다.
• 펌프 프로파일을 조절함으로써 스펙트럼 상관관계를 완전히 제어할 수 있었으며, 공동 스펙트럼의 프로그래밍 가능한 조작이 가능했다.
• 단일 EMCCD 카메라의 사용으로 실온에서 주파수 해상도 광자 수측정이 가능해져 냉각 장치를 피할 수 있었다.
• 시뮬레이션 결과, 펌프 대역폭이 직접적으로 얽힘 연결성에 영향을 미치며, 넓은 대역폭의 펌프가 더 복잡한 얽힘 구조를 가능하게 했다.
• 실제 EMCCD 매개변수를 고려할 때 실험적 설정은 고전적 시뮬레이션 가능 범위를 벗어나 있어, 가우시안 보존 샘플링에서의 양자 우월성 잠재력이 뒷받침된다.

Figure A5: Photographs of the Experiment. The beam paths are overlaid. Beam color to wavelength legend: H TML]00CCCC 1550 H TML]996185 1033 H TML]AE4132 775 H TML]FFA500 620 H TML]82B366 516 nm. a. Pulse shaper. b. DOPA. c. AFC. d. Spectrometer. e. 775 nm pump generation. f. Monochromation and coinc