[논문 리뷰] Non-linear and quantum optics of a type II OPO containing a birefringent element Part 2 : bright entangled beams generation

Laurent Longchambon, Julien Laurat외 2명|ArXiv.org|2003. 11. 19.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 27인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 펄스 간섭을 통해 수직 편광된 신호 및 아이들러 광선 간의 위상 일치를 통해 밝고 양자 상관성이 강한 빛을 생성하기 위해 이중성 광학 주기율 발진기(OPO)에 이방성 웨이브플레이트를 도입한다. 비직교 위상 측정을 통해 고려된 위상 측정을 최적화함으로써 시스템은 양자 얽힘의 상당한 향상을 달성하며, 이는 위상 분산과 같은 실험적 과제에도 불구하고 비결정성 기준의 극도로 큰 위반을 통해 입증된다. 이는 주파수 동일성 OPO의 이상적인 성능에 가까운 결과를 도출한다.

ABSTRACT

We describe theoretically the quantum properties of atype-II Optical Parametric Oscillator containing a birefringent plate which induces a linear coupling between the orthogonally polarized signal and idler beams and results in phase locking between these two beams. As in a classical OPO, the signal and idler waves show large quantum correlations which can be measured experimentally due to the phase locking between the two beams. We study the influence of the waveplate on the various criteria characterizing quantum correlations. We show in particular that the quantum correlations can be maximized by using optimized quadratures.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 응용 분야를 위한 실용적인 밝고 강력한 얽힌 광선 소스를 개발하기 위해.
• 주파수 비동일성과 위상 분산로 인해 기존 OPO에서 위상 반대 상관관계 측정이 어려운 실험적 제약을 극복하기 위해.
• 이방성 웨이브플레이트를 통한 위상 일치가 양자 상관관계를 향상시키고 안정적인 얽힘 특성 분석을 가능하게 함을 보여주기 위해.
• 양자 얽힘 기준, 특히 비분리성 기준의 위반을 극대화하기 위해 위상 측정을 최적화하기 위해.
• 여러 얽힘 기준(에인슬러-로렌츠 상관관계, 비분리성, 양자 텔레포테이션 품질)을 사용하여 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 χ(2) 비선형 매질과 이방성 웨이브플레이트를 포함한 루프 캐비티 OPO를 사용하며, 웨이브플레이트가 결정의 주축에 대해 작은 각도 ρ로 삽입된다.
• 고정점 주변에서 고전적 정 steady 상태 해를 선형화하고, 푸리에 도메인에서의 입력-출력 이론을 사용하여 양자 변동을 모델링한다.
• 양자 잡음 감소를 정량화하기 위해 진폭 위상 차이 및 위상 위상 합의 잡음 스펙트럼을 계산한다.
• 웨이브플레이트가 신호 및 아이들러 광선 간 선형 결합을 유도하여 자기 위상 일치를 유도하고 상대 위상을 안정화시킨다.
• 웨이브플레이트를 사용한 필드 기저의 회전을 통해 최적의 위상 측정을 도출하며, 켤레 위상 측정의 분산을 최소화한다.
• 양자 얽힘은 두산 비분리성 기준, 텔레포테이션 품질, EPR 추론 오차를 사용하여 정량화되며, 다양한 웨이브플레이트 각도와 손실 매개변수에서 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중성 OPO에서 이방성 웨이브플레이트를 통한 위상 일치가 수직 편광된 신호 및 아이들러 광선 간의 상대 위상을 안정화시켜 측정 가능한 양자 위상 반대 상관관계를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 웨이브플레이트 각도 ρ가 양자 상관관계 강도와 얽힘 기준의 위반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 원래 필드 위상 측정과 비직교인 최적화된 위상 측정이 비분리성 기준의 위반을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 시스템 성능이 양자 얽힘 품질 측면에서 이상적인 주파수 동일성 OPO에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ5 내부 손실과 출력 커플링이 양자 상관관계의 안정성과 명확성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이방성 웨이브플레이트의 사용은 수직 편광된 신호 및 아이들러 광선 간 위상 일치를 가능하게 하여 상대 위상을 안정화하고 측정 가능한 양자 상관관계를 허용한다.
• 진폭 위상 차이 및 위상 위상 합에서 모두 양자 잡음 감소가 관측되어 강력한 양자 상관관계 존재를 확인한다.
• 최적화된 위상 측정을 사용할 경우 비분리성 기준이 극도로 향상되며, 표준 OPO의 이상한 한계인 2에 가까운 위반을 기록한다.
• 웨이브플레이트 각도 ρ = 0.01 rad일 경우 비분리성 기준의 위반은 표준 OPO와 거의 동일하며, 위상 분산로 인한 저주파수 발산을 제거한다.
• 텔레포테이션 품질 및 EPR 추론 오차 기준은 고품질의 얽힘을 확인하며, 다양한 운영 매개변수에서 안정적인 성능을 보인다.
• 최적의 위상 측정 기울기 θ_opt는 해석적으로 유도되었으며, 어둠의 모드의 압축 및 상관관계 특성에 따라 달라지며, 최대한의 얽힘 탐지 성능을 가능하게 한다.