[논문 리뷰] Telecom-Band Entanglement Generation for Chipscale Quantum Processing

Kim Fook Lee, Prem Kumar외 5명|ArXiv.org|2008. 01. 17.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 소형 반대방향 구동 구성을 사용하여 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이브가이드에서 네광자 산란(FPS)을 이용해 칩 내에서 편광 얽힌 광자 쌍을 생성함을 보여준다. 비균일한 광자 쌍에 대해 91% 이상, 균일한 광자 쌍에 대해 80% 이상의 이중광자 간섭 가시도를 달성하여 고정밀도 양자 얽힘을 확인하였으며, 이는 통합 양자 계산 및 통신에 적합하다.

ABSTRACT

We demonstrate polarization-entanglement for non-degenerate and degenerate photon-pairs generated through Kerr-nonlinearity in a nano-scale silicon-on-insulator(SOI) waveguide. We use a compact counter propagating configuration to create two-photon polarization-entangled state, |H>|H> + |V>|V>. We observe two-photon interference with visibility > 91% and > 80% for non-degenerate and degenerate photon-pairs, respectively. The experimental structure can be implemented on optical chips as an integrated source of entangled photons for future quantum computer and communication applications.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 양자 정보 처리를 위한 통합형 칩 크기 광자 쌍 생성 소스를 개발하기 위해.
• 대규모 광학 장치의 한계를 극복하기 위해 실리콘 포토닉스 플랫폼에서 칩 내에서 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있도록 하기 위해.
• 소형 반대방향 구성을 사용하여 비균일 및 균일 광자 쌍 상태에서 비고전적 상관관계와 편광 얽힘을 실험적으로 구현하기 위해.
• 고전적 부등식 위반과 이중광자 간섭 측정을 통해 생성된 광자 쌍의 양자적 성격을 검증하기 위해.
• 확장 가능하고 통합된 실리콘 플랫폼에서 고가시도의 얽힘을 달성하여 향후 양자 컴퓨팅 및 통신 분야의 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 통신 파장에서 신호 및 아이들러 광자 쌍을 생성하기 위해 나노스케일 SOI 웨이브가이드에서 네광자 산란(FPS)을 활용한다.
• 반대방향 펌프 구성을 사용하여 |H⟩|H⟩ + |V⟩|V⟩ 형태의 이중광자 편광 얽힌 상태를 생성한다.
• WDM 필터를 통해 스펙트럼 필터링을 적용하여 신호 및 아이들러 채널을 분리하고, 선택적 탐지 및 공진도 측정을 가능하게 한다.
• 50/50 비스플리터와 공진도 카운팅을 사용하여 이중광자 간섭(TPI)을 측정하고 얽힘 순도를 평가한다.
• 고전적 부등식 위반(Zou 등, 1991)을 통해 신호 및 아이들러 광자 간의 비고전적 상관관계를 확인한다.
• 더블 그레이팅 필터와 EDFA 증폭을 사용하여 비균일 및 균일 케이스 모두에서 위상 일치 및 펌프 파워를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네광자 산란을 이용하여 칩 크기의 SOI 웨이브가이드에서 편광 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 통해 생성된 비균일 및 균일 광자 쌍 상태에서의 얽힘 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ3 공진도 대 잡음 비율과 고전적 부등식 위반을 통해 생성된 광자 쌍의 비고전적 성격을 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ4 통합 실리콘 플랫폼에서 비균일 및 균일 케이스 간의 이중광자 간섭 가시도는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 라만 산란 및 증폭된 자발적 방출(ASE)과 같은 배경 노이즈 요소가 칩 크기 시스템에서 얽힘 가시도에 미치는 영향은 어느 정도인가?

주요 결과

• 피크 공진도 대 잡음 비율(CAR)이 약 30인 조건에서 고전적 부등식 위반은 6 표준편차 이상으로 관측되었다.
• 비균일 광자 쌍에 대해 이중광자 간섭 가시도가 91%를 초과하여 고정밀도 얽힘을 확인하였다.
• 균일 광자 쌍에 대해 이중광자 간섭 가시도가 80%를 초과하여 통합 플랫폼에서 강력한 편광 얽힘을 나타내었다.
• 최적화된 펌프 파워 조건에서 비균일 광자 쌍의 광자 쌍 생성률은 0.08, 균일 광자 쌍은 0.12에 도달하였다.
• 90 μW 평균 펌프 파워에서 관측된 CAR 약 30은 상관관계 있는 광자 쌍의 높은 순도를 나타낸다.
• 라만 산란과 증폭된 자발적 방출(ASE) 노이즈는 특히 높은 펌프 파워에서 균일 케이스의 가시도를 제한하는 주요 요인로 규명되었다.