[논문 리뷰] Direct Generation and Detection of Quantum Correlated Photons Four Octaves Apart

Yong Meng Sua, Heng Fan외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 19.

Advanced Optical Sensing Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 주기적으로 전위된 리튬니오브산나트륨 웨이브가이드를 이용해 780 nm와 3950 nm를 아우르는 네 옥타브에 걸친 매우 비균형적인 양자상관 광자 쌍의 직접 생성 및 검출을 수행한다. 54의 동시성 대 임의비율은 강한 양자상관을 확인하며, 이는 가시광선 및 중적외선 양자 시스템의 통합을 가능하게 하여 센싱 및 통신 분야의 고도화된 응용을 실현한다.

ABSTRACT

Quantum correlated, highly non-degenerate photons can be used to synthesize disparate quantum nodes and link quantum processing over incompatible wavelengths, thereby constructing heterogeneous quantum systems for otherwise unattainable superior performance. Existing techniques for correlated photons have been concentrated in the visible and near-IR domains, with the photon pairs residing within one octave. Here, we demonstrate direct generation and detection of high-purity photon pairs at room temperature that are four octaves apart, one at 780 nm to match the rubidium D2 line, and the other at 3950 nm that falls in a transparent, low-scattering optical window for free space applications. The pairs are created via spontaneous parametric downconversion in a lithium niobate waveguide with specially designed geometry and periodic poling. The 780 nm photons are measured with a silicon avalanche photodiode, and the 3950 nm photons are measured with an upconversion photon detector using a similar waveguide, which attains 34% internal conversion efficiency. Quantum correlation measurement yields a high coincidence-to-accidental ratio of 54, which indicates the strong correlation with the extremely non-degenerate photon pairs. Our system bridges existing quantum technology to the challenging mid-IR regime, where unprecedented applications are expected in metrology, sensing, communications, medical diagnostics, and so on.

연구 동기 및 목표

• 가시광선과 중적외선 양자 기술 간 격차를 해소하기 위해 네 옥타브에 걸쳐 매우 비균형적인 광자 쌍의 생성 및 검출를 수행한다.
• 서로 다른 파장에서 작동하는 실용적인 양자 시스템을 가능하게 하여, 특히 중적외선 투과 창문 내 자유공간 응용을 위한 것이 목적이다.
• 기존 기술은 주로 한 옥타브 이내에 국한되어 있으며, 주로 가시광선/근적외선 범위에서만 작동한다는 한계를 극복한다.
• 실온에서 고순도 광자 쌍 생성을 달성하여 확장 가능하고 내구성이 뛰어난 양자 시스템을 실현한다.
• 고내부 효율을 지닌 웨이브가이드에서의 업컨버전을 이용해 중적외선 광자를 효율적으로 검출한다.

제안 방법

• 780 nm와 3950 nm에서 광자 쌍을 생성하기 위해 특수 설계된 기하구조를 가진 주기적으로 전위된 리튬니오브산나트륨 웨이브가이드를 사용하여 자발적 파라메트릭 다운컨버전(SPDC)을 구현한다.
• 가시광선 스펙트럼에서 높은 감도를 지닌 실리콘 앤티레버 전류형 광다이오드를 사용해 780 nm 광자를 검출한다.
• 웨이브가이드 기반 업컨버전 검출기를 사용해 3950 nm 광자를 사용하여 중적외선 광자를 감지 가능한 가시광선 광자로 변환하며, 내부 변환 효율이 34%에 도달한다.
• 동시성 수치와 임의적 수치를 비교하여 양자상관을 정량화하기 위해 동시성 측정 장치를 구현한다.
• 광자 쌍 생성 효율과 상관 쌍의 순도를 극대화하기 위해 웨이브가이드의 전위 주기와 위상매칭 조건을 최적화한다.
• 시스템 안정성과 실생활 적용 가능성 향상을 위해 실온에서의 작동을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 비선형 매질을 사용해 네 옥타브 대역폭을 아우르는 양자상관 광자 쌍을 직접 생성하고 검출할 수 있는가?
• RQ2 실온에서 하나의 광자는 가시광선(780 nm)에, 다른 하나는 중적외선(3950 nm)에 위치한 고순도 광자 쌍 생성이 가능한가?
• RQ3 웨이브가이드에서의 업컨버전 검출이 중적외선 광자를 양자상관 측정 시스템에서 신뢰성 있게 측정하기에 충분한 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 매우 비균형적인 광자 쌍 간의 양자상관 정도는 동시성 대 임의비율을 통해 어떻게 측정되는가?
• RQ5 이 시스템은 가시광선 및 중적외선 양자 노드의 실용적 통합을 가능하게 하여 이질적인 양자 네트워크를 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 네 옥타브에 걸친 광자 쌍을 성공적으로 생성하고 검출하였으며, 하나의 광자는 780 nm, 다른 하나는 3950 nm에 위치한다.
• 동시성 대 임의비율이 54에 도달하여 매우 비균형적인 광자 쌍 간의 강한 양자상관을 확인한다.
• 업컨버전 검출기가 34%의 내부 변환 효율을 달성하여 중적외선 광자의 효과적인 검출이 가능하다.
• 전체 시스템은 실온에서 작동하여 냉각이 필요한 대안 대비 실용성과 복잡도를 감소시킨다.
• 3950 nm 광자는 자유공간에서 낮은 산란와 투과 창문에 속해 있어 장거리 양자 통신 및 센싱에 이상적이다.
• 주기적으로 전위된 리튬니오브산나트륨 웨이브가이드의 사용은 극단적인 파장 차이를 고려한 효율적인 위상매칭 SPDC를 가능하게 하여, 이질적인 양자 시스템을 위한 확장 가능한 플랫폼을 입증한다.