[论文解读] Cavity enhanced second-order nonlinear quantum photonic logic circuits

Rahul Trivedi, Uday K. Khankhoje+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2015

Optical Network Technologies被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于双模腔的腔增强型二阶非线性（χ²）光子逻辑电路，以实现低功耗全光逻辑门。通过利用中等Q值腔体（Q ~ 10⁴）中的χ²非线性，该设计在能量效率方面比需要超高品质因子腔体（Q ~ 10⁶）的χ³基替代方案高出一个数量级。

ABSTRACT

A large obstacle for realizing quantum photonic logic is the weak optical nonlinearity of available materials, which results in large power consumption. In this paper, we present the theoretical design of all-optical logic with second order ($\chi^{(2)}$) nonlinear bimodal cavities and their networks. Using semiclassical models derived from the Wigner quasi-probability distribution function, we analyze the power consumption and signal-to-noise ratio (SNR) of networks implementing an optical AND gate and an optical latch. Comparison between the second and third order $(\chi^{(3)})$ optical logic reveals that while the $\chi^{(3)}$ design outperforms the $\chi^{(2)}$ design in terms of the SNR for the same input power, employing the $\chi^{(3)}$ nonlinearity necessitates the use of cavities with ultra high quality factors ($Q\sim 10^6$) to achieve gate power consumption comparable to that of the $\chi^{(2)}$ design at significantly smaller quality factors ($Q \sim 10^4$). Using realistic estimates of the $\chi^{(2)}$ and $\chi^{(3)}$ nonlinear susceptibilities of available materials, we show that at achievable quality factors ($Q \sim 10^4$), the $\chi^{(2)}$ design is an order of magnitude more energy efficient than the corresponding $\chi^{(3)}$ design.

研究动机与目标

• 为解决光子材料中光学非线性弱的问题，该问题限制了能量高效量子光子逻辑的发展。
• 探索在双模腔中利用二阶（χ²）非线性实现全光逻辑门的可行性。
• 在实际材料与腔体约束条件下，比较χ²与χ³非线性设计在功耗效率和信噪比（SNR）方面的表现。
• 识别在实际应用中平衡功耗与信噪比的最优腔体品质因数（Q）。

提出的方法

• 基于从Wigner准概率分布函数推导出的半经典近似，对具有χ²非线性的双模腔进行理论建模。
• 基于耦合腔动力学，建立用于光学逻辑门（包括与门和锁存器）的网络模型。
• 采用现有材料的χ²和χ³非线性极化率的现实估计值以评估性能表现。
• 分析在Q值从10⁴到10⁶变化时的功耗与信噪比（SNR）。
• 在相同输入功率和Q因子条件下，比较χ²与χ³设计以评估能量效率。
• 通过基于半经典的模拟评估门性能，以预测信噪比与能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可实现的腔体品质因数（Q ~ 10⁴）下，χ²非线性光子电路能否在能量效率方面与χ³基设计相媲美？
• RQ2 为使χ³基逻辑电路的功耗与Q ~ 10⁴下的χ²基逻辑电路相当，所需的腔体品质因数（Q）是多少？
• RQ3 在相同输入功率下，χ²基逻辑的信噪比（SNR）与χ³基逻辑相比如何？
• RQ4 在可实现的Q值（Q ~ 10⁴）下，χ²基逻辑相比χ³基逻辑在能量效率方面具有多大的优势？
• RQ5 现实材料的非线性特性是否能够支持利用χ²非线性实现低功耗全光逻辑的实际应用？

主要发现

• 在可实现的腔体品质因数（Q ~ 10⁴）下，χ²基设计的能量效率比相应的χ³基设计高出一个数量级。
• χ³基设计需要超高品质因子腔体（Q ~ 10⁶）才能实现与Q ~ 10⁴下χ²基设计相当的功耗水平。
• 尽管χ³设计在相同输入功率下信噪比更高，但该优势被在真实材料中实现Q ~ 10⁶的不切实际性所抵消。
• 由于对Q值要求较低，χ²设计即使信噪比略低于χ³对应设计，仍能保持有利的能量效率。
• 现实材料参数的估算证实，χ²基电路在实验可实现的Q值下具备实现低功耗光子逻辑的可行性。
• 本研究证明，双模腔中的χ²非线性为实现能量高效的全光量子逻辑提供了一条实用路径。