[논문 리뷰] Towards On-Chip Integrated Optical Quantum Frequency Combs

Lucia Caspani, Christian Reimer외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 02.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 51인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 효율적이고 확장 가능한 양자 양자쌍 생성을 가능하게 하는 마이크로캐비티를 사용하여 칩 내 통합된 광학적 양자 주파수 콤에 대한 길을 제시한다. 마이크로캐비티의 다중모드 공진 구조를 활용함으로써 통신 대역 호환성, 양자 메모리 통합, 편광 다중화를 지원하여 양자 컴퓨팅과 안전한 통신에 필수적인 고차원 양자 상태를 실현한다.

ABSTRACT

Recent development in quantum photonics allowed to start the process of bringing photonic-quantum-based systems out of the lab into real world applications. As an example, devices for the exchange of a cryptographic key secured by the law of quantum mechanics are currently commercially available. In order to further boost this process, the next step is to migrate the results achieved by means of bulky and expensive setups to miniaturized and affordable devices. Integrated quantum photonics is exactly addressing this issue. In this paper we briefly review the most recent advancements in the generation of quantum states of light (at the core of quantum cryptography and computing) on chip. In particular, we focus on optical microcavities, as they can offer a solution to the issue of low efficiency (low number of photons generated) typical of the materials mostly used in integrated platforms. In addition, we show that specifically designed microcavities can also offer further advantages, such as compatibility with existing telecom standard (thus allowing to exploit the existing fiber network) and quantum memories (necessary in turns to extend the communication distance), as well as longitudinal multimode character. This last property (i.e. the increased dimensionality necessary for describing the quantum state of a photon) is achieved thanks to the generating multiple photon pairs on a frequency comb corresponding to the microcavity resonances. Further achievements include the possibility to fully exploit the polarization degree of freedom also for integrated devices. These results pave the way to the generation of integrated quantum frequency combs, that in turn may find application as quantum computing platform.

연구 동기 및 목표

• 크고 비용이 많이 드는 실험실 기반 장치를 소형화되고 비용 효율적인 칩 기반 플랫폼으로 대체함으로써 통합된 양자 광학을 발전시키는 것.
• 기존 통합 재료에서 흔히 볼 수 있는 낮은 광자 생성 효율 문제를 해결하기 위해 광학 마이크로캐비티를 활용하는 것.
• 기존 통신 파장에서 작동함으로써 기존의 통신 파이버 네트워크와의 호환성을 확보하는 것.
• 칩에 양자 메모리 기능을 통합함으로써 장거리 양자 통신을 가능하게 하는 것.
• 마이크로캐비티의 종방향 다중모드 특성을 활용하여 주파수 콤을 통해 고차원 양자 상태를 생성하는 것.

제안 방법

• 비선형 상호작용을 강화하고 광자 쌍 생성 효율을 높이기 위해 마이크로캐비티를 활용한다.
• 주기적으로 도핑된 리튬니오브산나트륨(PPLN) 웨이브가이드와 마이크로리조너를 사용하여 칩 내에서 광학 주파수 콤을 생성한다.
• 마이크로캐비티의 다중모드 공진 구조를 활용하여 주파수 콤 라인 전반에 걸쳐 동시에 여러 광자 쌍을 생성한다.
• 한 칩에서의 양자 상태의 차원을 증가시키기 위해 편광 다중화를 통합한다.
• 기존 파이버 인fra구조와의 호환성을 위해 표준 통신 파장(예: 1550 nm)에서 작동하도록 마이크로캐비티를 설계한다.
• 마이크로캐비티 내에서 자발적 4웨이브 믹싱(SFWM)과 같은 비선형 광학 과정을 조합하여 얽힌 광자 쌍을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 내 광학 마이크로캐비티는 빛의 양자 상태를 효율적이고 확장 가능한 방식으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 칩 내 주파수 콤은 양자 정보 처리에 필수적인 고차원 양자 상태를 어떻게 지원하는가?
• RQ3 마이크로캐비티 기반 플랫폼은 기존의 통신 네트워크 및 양자 메모리 기술과 얼마나 잘 통합될 수 있는가?
• RQ4 통합된 양자 주파수 콤 시스템에서 편광 자유도를 완전히 활용할 수 있는가?
• RQ5 다중모드 작동을 위한 고정밀도 칩 내 양자 주파수 콤을 달성하기 위한 핵심 설계 매개변수는 무엇인가?

주요 결과

• 기존의 통합 재료에 비해 마이크로캐비티는 광자 쌍 생성 효율을 크게 향상시킨다.
• 시스템은 표준 통신 파장(예: 1550 nm)에서 작동하여 기존의 파이버 광학 인fra구조와 호환됨을 보여준다.
• 종방향 다중모드 작동은 여러 주파수 콩 라인을 통해 고차원 양자 상태를 생성할 수 있도록 한다.
• 편광 다중화는 칩 기반 플랫폼과 완전히 호환되며, 한 광자당 정보 용량을 증가시킨다.
• 양자 메모리 功能은 동일한 마이크로캐비티 아키텍처 내에서 통합 가능하여 장거리 양자 통신을 가능하게 한다.
• 이 접근법은 양자 컴퓨팅과 안전한 통신을 위한 플랫폼으로서 칩 내에서의 확장 가능한 양자 주파수 콤 실현을 보여준다.