[论文解读] Active Temporal Multiplexing of Photons

Gabriel J. Mendoza, Raffaele Santagati+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2015

Quantum optics and atomic interactions参考文献 29被引用 6

一句话总结

本文通过使用双程后脉冲源实现光子的主动时间复用，与非复用源相比，有效后脉冲光子率最高提升76%。通过采用低损耗光开关网络、延迟线和快速前馈控制，系统将成功的光子产生事件同步复用至单一时间与空间模式，显著提升了单光子源效率，同时保持低噪声水平。

ABSTRACT

Photonic qubits constitute a leading platform to disruptive quantum technologies due to their unique low-noise properties. The cost of the photonic approach is the non-deterministic nature of many of the processes, including single-photon generation, which arises from parametric sources and negligible interaction between photons. Active temporal multiplexing - repeating a generation process in time and rerouting to single modes using an optical switching network - is a promising approach to overcome this challenge and will likely be essential for large-scale applications with greatly reduced resource complexity and system sizes. Requirements include the precise synchronization of a system of low-loss switches, delay lines, fast photon detectors, and feed-forward. Here we demonstrate temporal multiplexing of 8 'bins' from a double-passed heralded photon source and observe an increase in the heralding and heralded photon rates. This system points the way to harnessing temporal multiplexing in quantum technologies, from single-photon sources to large-scale computation.

研究动机与目标

• 解决来自参量源的光子单光子产生过程的非确定性问题，该问题限制了量子技术的可扩展性。
• 通过时间复用克服传统后脉冲单光子源（HSPS）25%的理论最大后脉冲效率。
• 通过主动开关在多个时间窗口中复用单个物理源，降低资源复杂度和系统尺寸。
• 实现高保真、低损耗的后脉冲光子复用，将其导向单一输出模式，以提升有效源性能。
• 利用单一源实现混合空间-时间复用，模拟八次有效源重复。

提出的方法

• 实现双程后脉冲光子源，使泵浦脉冲两次通过周期性极化锂niobate（PPLN）晶体，以提高配对产生概率。
• 使用自由空间延迟线创建四个不同的时间窗口（延迟），实现时间复用，每次通过之间保持固定时间间隔。
• 采用快速光开关网络结合前馈控制，将成功的后脉冲信号光子路由至单一输出空间与时间模式。
• 利用过采样FPGA实时检测后脉冲信号并触发开关决策，与系统时钟周期同步。
• 通过触发、符合计数和误报计数的概率分布对系统建模，整合探测器、滤波器和开关的实测损耗。
• 通过数值拟合实验数据优化源参数（如泵浦功率、探测效率）以验证理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 主动时间复用能否在不增加噪声的前提下显著提升单个非确定性源的有效后脉冲光子率？
• RQ2 时间复用在多大程度上可降低光子量子信息系统的资源开销与系统尺寸？
• RQ3 时间复用与空间复用的结合如何提升有效单光子发射概率，相较于非复用源？
• RQ4 开关损耗与探测器饱和对时分复用单光子源性能有何影响？
• RQ5 该系统能否实现足够高的CAR（符合-误报比）以支持可扩展的量子计算？

主要发现

• 在固定噪声条件下，主动时间复用系统相比未复用的同一源，后脉冲光子率提升了76%。
• 实测符合-误报比（CAR）与理论模型高度一致，证实系统具备低噪声与高保真度运行特性。
• 去除外部损耗后的模型表明，8倍复用源在固定多光子发射概率下，单光子发射概率最高可达50%。
• 系统成功实现了仅使用一个物理源的混合空间-时间复用，模拟了八次有效源重复。
• 成功触发后脉冲光子事件的概率从单次通过时的约15%提升至全复用系统中的约98%。
• 实验数据与理论模型的拟合R²均值达0.987，表明模型具有高度准确性。