[논문 리뷰] Quantum storage of 1650 modes of single photons at telecom wavelength

Shihai Wei, Bo Jing외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 02.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 10m 길이의 냉각된 에르븀 도핑 실리카 섬유에서 통신 파장(1532 nm)에서 원자 주파수 조합(AFC) 프로토콜을 사용하여 1650모드의 광학 양자 메모리를 구현한다. 다섯 개의 10 GHz 폭 스펙트럼 채널을 활용하여 각각 최대 330개의 시간 모드를 지원함으로써, 동시에 다수의 화성 단일 광자 저장이 가능해지며, 이는 고속도, 섬유 호환성 있는 양자 네트워크로 향하는 핵심 단계를 의미한다.

ABSTRACT

To advance the full potential of quantum networks one should be able to distribute quantum resources over long distances at appreciable rates. As a consequence, all components in the networks need to have large multimode capacity to manipulate photonic quantum states. Towards this end, a multimode photonic quantum memory, especially one operating at telecom wavelength, remains a key challenge. Here we demonstrate a spectro-temporally multiplexed quantum memory at 1532 nm. Multimode quantum storage of telecom-band heralded single photons is realized by employing the atomic frequency comb protocol in a 10-m-long cryogenically cooled erbium doped silica fibre. The multiplexing encompasses five spectral channels - each 10 GHz wide - and in each of these up to 330 temporal modes, resulting in the simultaneous storage of 1650 modes of single photons. Our demonstrations open doors for high-rate quantum networks, which are essential for future quantum internet.

연구 동기 및 목표

• 기존 통신 인fra구조와 호환되는 고용량, 장거리 양자 네트워크를 실현하기 위해.
• 통신 파장에서 광학 양자 메모리의 다중모드 용량이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 스펙트럼 및 시간 자유도에서 다수의 단일 광자 모드를 동시에 저장하기 위해.
• 고용량과 낮은 교차 간섭을 갖춘 실용적이고 섬유 호환성 있는 양자 메모리를 실현하기 위해.
• 다중모드 양자 메모리를 기반으로 하는 미래의 양자 인터넷 개발을 촉진하기 위해.

제안 방법

• 10m 길이의 냉각된 에르븀 도핑 실리카 섬유(EDF)에서 원자 주파수 조합(AFC) 프로토콜을 구현함.
• 광학 주파수 조합과 주파수 치핑을 사용하여 다섯 개의 10 GHz 폭 채널로 스펙트럼 채널을 분할하고, 각 채널 간격은 5 GHz로 설정함.
• 비방사성 붕괴를 줄이고 저장 수명을 연장하기 위해 저농도의 에르븀 도핑 농도를 갖는 10m 길이의 EDF를 사용함.
• 빛-물질 상호작용을 강화하고 저장 효율을 높이기 위해 임피던스 일치형 내섬유 브라그 반사 거울(DBR) 미러를 활용하여 캐비티를 형성함.
• 장수 저장 상태로 에르븀 이온의 증거 하위준위를 사용하고, 영구적 구멍을 안정화하기 위해 자기장을 적용함.
• 자발적 방출에 의한 배경 노이즈를 억제하기 위해 신호 광자 저장 이전의 대기 시간을 200 ms로 최적화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고용량 저장 능력을 갖춘 통신 파장에서 다중모드 광학 양자 메모리를 실현할 수 있는가?
• RQ2 긴 길이의 냉각된 에르븀 도핑 EDF에서 원자 주파수 조합(AFC) 프로토콜이 1650개의 시간 및 스펙트럼 모드를 동시에 저장할 수 있는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 서로 다른 스펙트럼-시간 모드 간의 교차 간섭 수준은 어떠한가?
• RQ4 임피던스 일치형 내섬유 캐비티의 사용이 저장 효율성과 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 자발적 방출에 의한 노이즈를 최소화하기 위해 최적의 대기 시간은 얼마인가?

주요 결과

• 1532 nm에서 화성 단일 광자에 대해 1650개의 고유한 스펙트럼-시간 모드를 높은 정밀도와 낮은 교차 간섭으로 성공적으로 저장함.
• 모든 1650개 모드에 대해 g(2)(0) 측정을 통해 서로 다른 스펙트럼 채널 간의 교차 간섭이 무시할 만큼 낮음이 확인됨.
• 0.2 T 자기장에서 스펙트럼 조정에 사용된 증거 하위준위의 수명은 0.278 ± 0.035 s에 이르며, 안정적인 AFC 형성이 가능함.
• 광자 저장 이전의 대기 시간이 200 ms로 최적화되어 자발적 방출에 의한 배경 카운트를 최소화함.
• 모든 1650개 모드 쌍에 대해 측정된 g(2)(0) 값은 1에 매우 가까워, 광자 뭉치 현상이 거의 없고 고도로 단일 광자 성격을 띠고 있음.
• 임피던스 일치형 내섬유 DBR 캐비티의 사용은 빛-물질 상호작용을 강화하고 작고 섬유 통합형 플랫폼에서 고효율 저장을 가능하게 함.