[논문 리뷰] CMOS-compatible, multiplexed source of heralded photon pairs: towards integrated quantum combs

Christian Reimer, Lucia Caspani외 10명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 24.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 100

한 줄 요약

이 논문은 200 GHz 채널 간격을 가진 주파수 결합을 통해 다수의 동시에 발생하는 화제 광자 쌍을 생성하는 CMOS 호환성, 통합형 마이크로링 공진기 기반의 장치를 제시한다. 이는 섬유 광통신 네트워크와 양자 메모리와의 호환성을 갖는다. 자가 잠금 펌프 구성을 통해 활성 안정화 없이도 견고하고 저전력으로 작동하며, 통합 양자 광학에서 다중화된 스케일러블 광자 소스를 실현한다.

ABSTRACT

We report an integrated photon pair source based on a CMOS-compatible microring resonator that generates multiple, simultaneous, and independent photon pairs at different wavelengths in a frequency comb compatible with fiber communication wavelength division multiplexing channels (200 GHz channel separation) and with a linewidth that is compatible with quantum memories (110 MHz). It operates in a self-locked pump configuration, avoiding the need for active stabilization, making it extremely robust even at very low power levels.

연구 동기 및 목표

• 칩 기반의 양자 광학을 위한 스케일러블하고 통합된 화제 광자 쌍 소스 개발
• 200 GHz 채널 간격을 통해 기존의 섬유 광통신 인fra구조와의 호환성 확보
• 좁은 대역폭(110 MHz)의 광자 쌍을 통해 양자 메모리와의 호환성 확보
• 자기 잠금 펌프 구성을 통해 활성 안정화의 필요성을 제거
• 단일 장치에서 다수의 독립된 광자 쌍을 동시에 다중화하여 생성하는 것의 실현

제안 방법

• 고품질 인덕터 모드를 지원하기 위해 CMOS 호환성 실리카 질라이드 마이크로링 공진기를 사용
• 펌프 레이저를 공진기 모드에 위상 잠금하는 자기 잠금 펌프 방식을 구현하여 외부 안정화의 필요성을 제거
• 표준 WDM 채널과 일치하는 200 GHz 간격으로 다수의 결합선을 지원하도록 공진기를 설계
• 마이크로링 내에서의 자발적 4파면 혼합(SFWM)을 이용해 주파수 결합 구조에서 얽힌 광자 쌍 생성
• 광자 쌍의 대역폭을 110 MHz로 최적화하여 양자 메모리 인터페이스에 적합한 특성 확보
• 다양한 결합선을 통해 독립된 쌍 생성 과정을 다중화할 수 있도록 공진기 설계

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 호환성, 통합형 마이크로링 공진기를 이용한 장치가 최소한의 외부 제어로 다수의 동시에 발생하는 화제 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 펌프 레이저의 자기 잠금이 양자 광학 소스에서 활성 안정화의 필요성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 200 GHz 간격을 가진 주파수 결합을 통해 광자 쌍 생성을 다중화할 수 있는가? 이는 통신용 WDM 표준과 일치하는가?
• RQ4 생성된 광자 쌍의 대역폭이 충분히 좁은가(110 MHz)? 양자 메모리와의 인터페이스에 적합한가?
• RQ5 낮은 펌프 전력에서도 안정적으로 작동하면서도 고효율의 쌍 생성 및 스펙트럼 순도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 200 GHz 채널 간격을 가진 주파수 결합을 통해 다수의 동시에 발생하고 상호 독립적인 화제 광자 쌍을 생성한다.
• 광자 쌍의 대역폭은 110 MHz로 측정되어 양자 메모리와의 호환성 요구사항을 충족한다.
• 자기 잠금 펌프 구성은 낮은 펌프 전력에서도 활성 안정화 없이도 안정된 작동을 가능하게 한다.
• CMOS 호환성 실리카 질라이드 플랫폼은 효율적인 주파수 결합 생성에 필수적인 고 품질 인덕터 공진을 지원한다.
• 다양한 결합선을 통해 다중화 작동이 가능하여 스케일러블한 양자 광자 소스를 실현한다.
• 기존의 섬유 광통신 네트워크와 호환되는 구성으로 작동하여 향후 고전 및 양자 네트워크 통합 가능