[논문 리뷰] Temporal-mode-selective optical Ramsey interferometry via cascaded frequency conversion

Dileep V. Reddy, Michael G. Raymer|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 18.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비선형 파동도파이브에서 계단식 주파수 변환을 이용하여 시간 모드 선택성 있는 광 라마르 간섭을 구현함으로써, 조절된 펌프 펄스로 두 단계의 양자 주파수 변환을 공명 결합함으로써 모드 선택성 향상과 높은 변환 효율을 동시에 달성하였다. 이 방법은 단일 단계 시스템에서 내재된 선택성과 효율성 간의 상충 관계를 극복하여 시간 모드 기반 양자 정보 처리를 위한 실용적인 양자 펄스 게이트를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Temporal modes (TM) are a new basis for storage and retrieval of quantum information in states of light. The full TM manipulation toolkit requires a practical quantum pulse gate (QPG), which is a device that unitarily maps any given TM component of the optical input field onto a different, easily separable subspace or degree of freedom. An ideal QPG must "separate" the selected TM component with unit efficiency, whilst avoiding crosstalk from orthogonal TMs. All attempts at implementing QPGs in pulsed-pump traveling-wave systems have been unable to satisfy both conditions simultaneously. This is due to a known selectivity limit in processes that rely on spatio-temporally local, nonlinear interactions between pulsed modes traveling at independent group velocities. This limit is a consequence of time ordering in the quantum dynamical evolution, which is predicted to be overcome by coherently cascading multiple stages of low-efficiency, but highly TM-discriminatory QPGs. Multi-stage interferometric quantum frequency conversion in nonlinear waveguides was first proposed for precisely this purpose. TM-nonselective cascaded frequency conversion, also called optical Ramsey interferometry, has recently been demonstrated with continuous-wave (CW) fields. Here, we present the first experimental demonstration of TM-selective optical Ramsey interferometry and show a significant enhancement in TM selectivity over single-stage schemes.

연구 동기 및 목표

• 단일 단계의 양자 주파수 변환 장치에서 내재된 시간 모드 선택성과 변환 효율성 간의 기본적 상충 관계를 극복하기 위해.
• 비선형 파동도파이브에서 형상 조절된 펌프 펄스와 약한 공명 신호를 사용하여 이중 단계 광 라마르 간섭계를 실현하기 위해.
• 특정 시간 모드를 고유한 주파수 대역으로 선택적으로 매핑하고 교차 간섭을 최소화하는 실용적인 양자 펄스 게이트(QPG)를 구현하기 위해.
• 신호 펄스 왜곡을 관찰하여 펄스형 비선형 상호작용에서의 시간 순서 효과에 대한 이론 예측을 실험적으로 검증하기 위해.
• 시간 모드 인코딩의 잠재력을 극대화함으로써 확장 가능한 양자 정보 처리를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 단일 비선형 파동도파이브에서 계단식 삼파동 혼합을 이용하여 이중 단계의 양자 주파수 변환 과정을 실현함.
• 형상 조절된 강력한 레이저 펌프 펄스를 사용하여 TM 선택성 상호작용을 달성하며, 펌프 펄스의 영역이 상호작용의 슈미트 모드와 일치하도록 설계함.
• 신호 및 레지스터 필드가 비선형 매질을 두 번 통과할 수 있도록 미클슨 간섭계 구성을 구성하여 효과적 상호작용 강도를 증가시킴.
• 4f 펄스 샤퍼를 사용하여 단일 빛 조절기(Phase-only SLM)를 통해 펌프 및 신호 펄스의 진폭과 위상을 정밀하게 제어함.
• 이색 거울과 대역통과/차단 필터를 사용하여 서로 다른 파장에서 p-, s-, r-대역 필드를 분리하고 조합함.
• 서보 제어 기반의 빔 블록과 정밀 선형 스테이지로 간섭계를 안정화하고 펌프 및 신호 경로의 제어 전환을 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 파동도파이브에서 계단식 주파수 변환은 고도의 시간 모드 선택성과 함께 높은 변환 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ2 양자 진동 에너지 연산자에서 시간 순서 보정이 펄스형 비선형 광학 시스템의 모드 식별에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 펌프 펄스 형상 조절이 단일 단계 한계를 초월하여 주파수 변환의 선택성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 라마르 간섭계 구성을 통해 비선형 매질을 이중 통과시킴으로써 선택성과 효율성 간의 상충 관계를 완화할 수 있는가?
• RQ5 관측된 신호 펄스 왜곡은 상호작용 해밀토니안에서의 시간 순서 효과로 기인하는가?

주요 결과

• 이중 단계 광 라마르 간섭계는 신호 펄스 형상 최적화 없이도 단일 단계 구현보다 뚜렷한 시간 모드 선택성 향상을 달성함.
• 총 펌프 전력 470 mW(80 MHz 반복 주기) 조건에서 각 단계당 약 50%의 변환 효율을 달성하였으며, 동일 조건에서 단일 단계 구현에서는 달성할 수 없었던 성능임.
• 신호 펄스 왜곡이 실험적으로 관측되었으며, 이는 양자 진동 이론에 따르면 시간 순서 효과로 기인한 것으로 해석되었고, 이론 예측과 일치함.
• 신호 펄스의 시간 왜곡 방향은 펌프-신호 군속도 차이가 아니라, 신호 및 레지스터 필드 간의 상대적 군속도에 따라 결정됨.
• 간섭계의 위상 조절을 통해 특정 시간 모드만 선택적으로 작동시키며 나머지 모드에는 거의 영향을 주지 않는 주파수 변환 스위치로 기능함.
• 계단식 저효율, 고선택성 QFC 단계를 연결함으로써 단일 단계 비선형 상호작용의 선택성 한계를 극복할 수 있음을 이론 예측과 일치하는 결과로 확인함.