[논문 리뷰] Linear multiport photonic interferometers: loss analysis of temporally-encoded architectures

Haoyu Qi, L. G. Helt외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 17.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오바트 플랫폼 상에서 재구성 가능한 비스플리터와 딜레이 루프를 이용한 시간적으로 인코딩된 체인-루프 아키텍처를 제안하며, 공간적 및 이중루프 아키텍처와의 손실 성능를 분석한다. 연구는 체인-루프 아키텍처가 낮은 손실과 더 나은 통합 가능성 덕분에 기존 설계보다 뛰어나며, 양자 및 고전적 광학 응용 분야에서 확장 가능한 길을 제공함을 보여준다.

ABSTRACT

Implementing spatially-encoded universal linear multiport interferometers on integrated photonic platforms with high controllability becomes increasingly difficult as the number of modes increases. In this work, we consider an architecture in which temporally-encoded modes are injected into a chain of reconfigurable beamsplitters and delay loops, and provide a detailed loss analysis for this and other comparable architectures. This analysis also yields a straightforward and explicit description of the control sequence needed for implementing an arbitrary temporally-encoded transformation. We consider possible physical implementations of these architectures and compare their performance. We conclude that implementing a chain of reconfigurable beamsplitters and delay loops on an integrated lithum niobate platform could outperform comparable architectures in the near future.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 칩 상에서 높은 제어성과 낮은 손실을 갖춘 대규모 재구성 가능한 선형 다중포트 간섭계를 구현하는 데 도전하는 데에 초점을 맞춘다.
• 시간적으로 인코딩된 아키텍처, 특히 체인-루프 및 이중루프 시스템에 대한 손실 분석 프레임워크를 개발하여 공간적으로 인코딩된 대응 설계와 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 실제 손실 조건 하에서 루프 기반 간섭계의 자유공간 및 칩 기반 구현 방식 간 성능을 평가한다.
• 특히 리튬니오바트를 포함한 최적의 플랫폼 기술을 특정하여, 양자 및 고전 응용 분야에서 저손실, 확장 가능한 간섭계를 실현하는 데에 가장 유리한 조건을 제공한다.

제안 방법

• 시간적 인코딩을 통해 광 모드를 인코딩함으로써, N−1개의 재구성 가능한 비스플리터와 딜레이 루프를 사용한 체인-루프 아키텍처를 제안하여 보편적인 유니타리 변환을 실현한다.
• 루프 기반 아키텍처를 등가의 공간적 인코딩 구성으로 매핑함으로써 직관적이고 효과적인 손실 식을 도출하여, 손실 비교를 간단하게 한다.
• 해석적 및 수치적 방법을 사용하여 손실 식이 모든 광경로를 통한 평균 손실에 대해 신뢰할 수 있는 히우리스틱 근사치로 작용함을 검증한다.
• 전파 손실, 커플링 손실, 스위치/비스플리터 삽입 손실 등의 물리적 손실 원인을 모델링하여 이중루프 및 체인-루프 아키텍처를 비교한다.
• 자유공간 및 통합 광학 구현 방식을 평가하며, 리튬니오바트 및 실리콘과 같은 플랫폼의 실제 손실 파rameter에 중점을 둔다.
• 시간적으로 인코딩된 펄스를 사용하여 임의의 유니타리 변환을 실현하기 위한 제어 시퀀스를 유도함으로써 실용적 구현 가능성을 높인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간적으로 인코딩된 체인-루프 간섭계의 총 손실은 공간적으로 인코딩된 또는 이중루프 아키텍처와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 루프 기반 간섭계에서 지배적인 물리적 손실 메커니즘은 무엇이며, 이를 정량적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ3 실제 물리적 제약 조건 하에서 체인-루프 아키텍처가 이중루프 아키텍처보다 낮은 효과적 손실을 달성할 수 있는가?
• RQ4 특히 리튬니오바트와 같은 통합 광학 플랫폼 중에서 체인-루프 아키텍처를 실현하기에 가장 유리한 손실 성능을 보이는 플랫폼은 무엇인가?
• RQ5 시간적으로 인코딩된 시스템에서 임의의 유니타리 변환을 실현하기 위한 제어 시퀀스를 명시적으로 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 특히 낮은 전파 손실과 커플링 손실 조건에서 통합 플랫폼에 구현된 체인-루프 아키텍처는 이중루프 아키텍처보다 전체 손실이 낮음을 보여준다.
• 제안된 손실 식은 해석적 및 수치적 분석을 통해 검증되었으며, 평균 간섭계 손실에 대해 신뢰할 수 있는 히우리스틱 근사치를 제공한다.
• 리튬니오바트 플랫폼은 낮은 전파 손실과 높은 재구성 가능성을 지닌 비스플리터 덕분에 다른 통합 플랫폼보다 체인-루프 아키텍처에 더 뛰어난 성능을 보인다.
• 루프 기반 아키텍처의 효과적 손실는 공간적으로 인코딩된 설계의 손실로 매핑될 수 있으며, 이는 직접 벤치마킹과 비교를 가능하게 한다.
• 측정 유도 비가우시안 게이트와 결합된 체인-루프 아키텍처는 보편적인 양자 계산을 지원하며, 확장 가능한 양자 정보 처리를 가능하게 한다.
• 이 방법은 시간적으로 인코딩된 시스템에서 임의의 유니타리 변환을 실현하기 위한 명시적이고 간단한 제어 시퀀스를 제공함으로써 실용적 구현 가능성을 향상시킨다.