[논문 리뷰] Quantum and classical telecommunication channel multiplexing

Andreas Lenhard, José Brito외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 22.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 통신 섬유를 통해 C 대역의 고전적 레이저 펄스와 O 대역의 주파수 변환 단일 광자 간 동시 다중화를 구현한다. 자발적 비선형 분할 및 양자 주파수 변환을 이용하여, 경보된 양자 신호와 고전적 신호 간의 시간 상관관계를 유지함으로써, 20 km 거리에서 배경 잡음이 낮고 상관관계가 있는 전송을 달성하였다. 이는 이론적 예측과 일치하는 43 ns 지연 이격을 보였다.

ABSTRACT

We demonstrate the multiplexing of a classical coherent and a quantum state of light in a single telecommunciation fiber. For this purpose we make use of spontaneous parametric down conversion and quantum frequency conversion to generate photon pairs at 854 nm and the telecom O-band. The herald photon triggers a telecom C-band laser pulse. The telecom single photon and the laser pulse are combined and coupled to a standard telecom fiber. Low background time correlation of the classical and quantum signal behind the fiber shows successful telecommunication channel multiplexing.

연구 동기 및 목표

• 기존 통신 인fra를 활용하여 단일 섬유 내 고전적 및 양자 통신 채널의 공존을 가능하게 하기 위해.
• 양자 메모리 호환 파장(854 nm)에서의 높은 손실 문제를 해결하기 위해, 양자 주파수 변환을 통해 저손실 O 대역으로 변환하기 위해.
• 주파수 변환과 섬유 전송을 통해 양자 및 고전 신호 간의 시간 상관관계를 유지하기 위해.
• 기존 섬유와 최소한의 수정으로 양자 네트워크 노드 간 상호연결의 실용적 가능성을 입증하기 위해.
• 교차 캐리어 및 검출기 효과로 인한 배경 잡음이 게이팅 검출 및 스펙트럼 필터링을 통해 억제될 수 있음을 검증하기 위해.

제안 방법

• 자발적 비선형 분할(SPDC)을 통해 854 nm에서 얽힌 광자 쌍을 생성하고, 한 광자를 비선형 웨이브가이드를 이용해 O 대역(1310 nm)으로 주파수 변환한다.
• 854 nm 광자는 경보자 역할을 하여 C 대역(1550 nm)의 30 ns 직사각형 레이저 펄스를 유도하여 고전적 시계 신호로 기능시킨다.
• 주파수 변환된 O 대역 광자와 C 대역 레이저 펄스를 결합하고 표준 다중모드 섬유(SMF-28e)에 입력한다.
• 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SSPDs)를 O 대역에, 표준 광다이오드를 C 대역에 사용하여 시간 상관 검출을 수행한다.
• 게이팅 검출을 적용하여 배경 및 교차 캐리어에서 신호 피크를 분리하고, 게이팅 타이밍을 기대되는 동시성 창과 일치시킨다.
• 섬유 분산 영향을 분석하기 위해 다양한 섬유 길이에서 O 대역과 C 대역 광자 간의 시간 지연 및 펄스 넓어짐을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 레이저 펄스와 주파수 변환된 단일 광자를 단일 통신 섬유에 성공적으로 다중화할 수 있으며, 이들의 시간 상관관계가 유지될 수 있는가?
• RQ2 섬유 분산이 O 대역 및 C 대역 신호 간 상대적 타이밍에 어떤 영향을 미치며, 이를 보완하거나 보정할 수 있는가?
• RQ3 표준 섬유를 통한 전송 시, 양자 주파수 변환이 SPDC 광자 간 시간 상관관계를 유지할 수 있는가?
• RQ4 검출기 사망 시간 및 포화 효과가 관측된 동시성 피크의 형상과 해상도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 레이저 펄스가 단일 광자 채널으로 유출되는 교차 캐리어가 실제로 효과적으로 억제될 수 있는가?

주요 결과

• O 대역과 C 대역 신호 간 측정된 지연 이격은 1.861 ± 0.004 ns/km로, 섬유 분산에 기반한 이론적 예측과 일치하였다.
• 20 km 섬유를 통과한 경보된 O 대역 광자와 C 대역 레이저 펄스 간의 시간 상관 피크가 유지되었으며, 질량 중심 이격은 43 ns로, 이 길이에서 기대되는 37.2 ns 지연과 일치하였다.
• 20 km 전송에서 동시성 피크의 기저 너비는 34 ns였고, 예상값(32 ns; 30 ns 레이저 펄스 + 20 km × 108 ps/km)과 매우 유사하였다.
• 동시성 트레이스에 나타난 삼중 피크 구조는 약 10 ns의 검출기 사망 시간과 레이저 펄스 내 다중 광자 성분으로 인한 포화 효과로 기인하였다.
• 레이저 펄스가 O 대역 검출 채널로 유출되는 교차 캐리어는 244 ns 지연 섬유를 통해 식별되고 분리되었으며, 이는 주요 신호 피크가 명확히 구분되고 상관관계가 있음을 확인하였다.
• 게이팅 검출이 효과적으로 배경 잡음을 억제하여, 진정한 신호와 우연한 동시성, 검출기 오자와의 분리가 가능해졌다.