[논문 리뷰] Spectrally resolved Hong-Ou-Mandel interference between independent sources

Rui‐Bo Jin, Thomas Gerrits외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 57인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 고속 섬유 스펙트럼계측기를 사용하여 독립적인 광자 소스—예를 들어, 비례 단일광자 소스와 열광자 소스—간의 스펙트럼 해상도가 있는 홍-오우-망(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭을 실험적으로 구현한다. HOM 간섭 중의 스펙트럼 상관관계를 측정함으로써, 후처리 스펙트럼 필터링을 통해 간섭 무늬의 명암도를 향상시키고, 상관 스펙트럼 강도에서 간섭 무늬 구조를 드러내어 통신 파장에서 이론 모델과 실험 데이터를 검증한다.

ABSTRACT

Hong-Ou-Mandel (HOM) interference between independent photon sources (HOMI-IPS) is the fundamental block for quantum information processing, such as quantum gate, Shor's algorithm, Boson sampling, etc. All the previous HOMI-IPS experiments were carried out in time-domain, however, the spectral information during the interference was lost, due to technical difficulties. Here, we investigate the HOMI-IPS in spectral domain using the recently developed fast fiber spectrometer, and demonstrate the spectral distribution during the HOM interference between two heralded single-photon sources, and two thermal sources. This experiment can not only deepen our understanding of HOMI-IPS in the spectral domain, but also be utilized to improve the visibility by post-processing spectral filtering.

연구 동기 및 목표

• 기존의 시간 영역에 국한된 측정 방식의 한계를 극복하고, 독립된 광자 소스 간의 스펙트럼 영역에서 홍-오우-망(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭을 연구하는 것.
• 고속 섬유 스펙트럼계측기를 사용하여 HOM 간섭 중의 스펙트럼 상관관계를 실험적으로 측정함으로써 고속·고해상도 스펙트럼 분석을 가능하게 하는 것.
• 후처리 스펙트럼 필터링을 통해 HOM 간섭의 명암도를 향상시킬 수 있음을 보여주며, 특히 비례 단일광자 소스와 열광자 소스에 대해 적용 가능함을 입증하는 것.
• 비례 단일광자 상태와 열광자 상태에 대한 HOM 간섭 이론 모델을 이론적으로 수립하고, 고차 스펙트럼 성분까지 포함하여 실험 데이터와 비교 검증하는 것.
• HOM 간섭의 최소 간섭 무늬에서의 스펙트럼 강도 분포를 해상도함으로써 스펙트럼 순도와 광자의 불가분성에 대한 이해를 심화하는 것.

제안 방법

• 두 개의 독립적인 자발적 파라메트릭 분할(스펙트럼 분할) 소스에서 유도된 신호 광자 간의 HOM 간섭을 유도하기 위해 50/50 섬유 비드미터를 사용하였다.
• 초전도 나노와이어 단일광자 탐지기(SNSPDs)와 시간 간격 분석기(TIA)를 사용하여 산란 보정 섬유(DCFs)를 통한 스펙트럼 정보를 도착 시간으로 매핑하는 섬유 스펙트럼계측기를 구성하였다.
• Gerrits 등 [23, 24]가 개발한 고속 섬유 스펙트럼계측 기술을 응용하여 실시간으로 고해상도 스펙트럼 분석이 가능한 스펙트럼 상관관계 측정을 수행하였다.
• 시간 지연 τ에 따른 4중 동시계수를 측정하여, 공동 스펙트럼 진폭 f1(ωs1, ωi1)과 f2(ωs2, ωi2)의 이론적 프레임워크를 기반으로 HOM 간섭 무늬와 상관 스펙트럼 강도(CSI)를 재구성하였다.
• 이론적 모델링은 비례 단일광자 상태와 열광자 상태에 대한 전체 양자역학적 HOM 간섭 처리를 포함하며, 복잡한 스펙트럼 진폭 함수와 간섭 항목을 포함하였다.
• 실험 데이터를 후처리 스펙트럼 필터링을 통해 HOM 간섭의 명암도를 향상시켜, 양자 프로세서의 정밀도를 향상시키는 실용적 방법을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속 스펙트럼 측정 기술을 사용하여 독립된 광자 소스 간의 HOM 간섭 중 스펙트럼 상관관계를 실험적으로 해상도할 수 있는가?
• RQ2 상관 스펙트럼 강도(CSI)에서의 스펙트럼 무늬는 HOM 간섭 무늬의 중심에서 어떻게 변화하며, 광자의 불가분성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 간섭 신호에 대한 후처리 스펙트럼 필터링을 통해 HOM 간섭의 명암도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 비례 단일광자 상태와 열광자 상태 간의 HOM 간섭에 대한 이론적 예측이 스펙트럼 영역에서 실험 데이터와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 실제 광자 소스에서 HOM 간섭의 명암도를 제한하거나 형상화하는 데 있어 스펙트럼 순도와 고차 성분의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 스펙트럼 필터링 없이도 실험적으로 4중 HOM 간섭 무늬의 명암도가 82.0%에 도달하였으며, 이는 PPKTP 기반 SPDC 소스의 내재된 스펙트럼 순도 0.82와 일치한다.
• HOM 간섭 무늬의 다양한 시간 지연에서 상관 스펙트럼 강도(CSI)에 스펙트럼 무늬가 관측되었으며, 무늬 주파수는 무늬 중심에서 멀어질수록 증가하였다.
• HOM 간섭 무늬의 반폭은 4.91 ps (1.47 mm)로 측정되었으며, 이는 약 1.47 mm의 시간적 간섭 길이에 해당한다.
• 열광자 소스의 경우 이론적 HOM 명암도 상한선 1/3이 확인되었으며, 실험적으로 관측된 간섭 무늬 구조는 이 예측과 일치하였다.
• 후처리 스펙트럼 필터링을 통한 HOM 간섭 명암도 향상이 입증되었으며, 이는 양자 프로세서의 정밀도를 향상시키는 실용적 방법임을 보여주었다.
• 두 비례 단일광자 상태 간의 HOM 간섭에 대한 이론적 시뮬레이션 결과가 실험 데이터와 밀도 있게 일치하여, 모델에 고차 스펙트럼 성분을 포함한 것이 타당함을 검증하였다.