[논문 리뷰] Exploring the limits of multiplexed photon-pair sources for the preparation of pure single-photon states

Robert J. A. Francis-Jones, Peter J. Mosley|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 04.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실존적 검출기 비효율성과 광학 손실을 고려하여 공간 다중화된 광자 쌍 소스를 활용해 결정론적 단일 광자 생성에 접근하는 것을 연구한다. 최적의 펌프 파워와 검출기 유형을 사용할 경우, 고효율 PNR 검출기를 사용해 16개의 소스를 다중화하면 신호 대 잡음비(SNR)가 100에 도달하고, 8개의 화성 광자에 대한 대기 시간을 300년에서 몇 분으로 줄일 수 있다. 이는 양자 기술 분야에서 실용적인 고성능 소스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Current sources of heralded single photons based on nonlinear optics operate in a probabilistic manner. In order to build quantum-enhanced devices based around the use of single photons, compact, turn-key and deterministic sources are required. A possible solution is to multiplex a number of sources to increase the single-photon generation probability and in so doing reducing the waiting time to deliver large numbers of photons simultaneously, from independent sources. Previously it has been shown that, in the ideal case, 17 multiplexed sources allow deterministic generation of heralded single photons [Christ and Silberhorn, Phys. Rev. A 85, 023829 (2012)]. Here we extend this analysis to include undesirable effects of detector inefficiency and photon loss on a number of multiplexed sources using a variety of different detectors for heralding. We compare these systems for fixed signal-to-noise ratio to allow a direct comparison of performance for real- world heralded single photon sources.

연구 동기 및 목표

• 검출기 비효율성과 광학 손실의 현실적인 조건에서 다중화된 광자 쌍 소스의 성능 한계를 평가하는 것.
• 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 유지하면서 화성 단일 광자 생성 확률을 최대화하기 위한 최적의 소스 수와 펌프 파워를 결정하는 것.
• 손실이 있는 조건에서 바이너리, 가짜 PNR, 진짜 PNR 검출기 유형 간의 비교를 통해 실용적 구현에 가장 효과적인 구성 요소를 규명하는 것.
• 비다중화 소스에 비해 다중화 시스템을 사용할 경우 다수의 화성 단일 광자를 제공하는 데 소요되는 대기 시간의 향상을 정량화하는 것.
• 현실적으로 구현 가능한 구성 요소 효율성을 바탕으로 향후 다중화 단일 광자 소스를 최적화하기 위한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 논문은 화성 검출이 한 광자에서 발생하면 다른 광자를 공통 출력으로 라우팅하는 광학 스위치 네트워크를 사용해 공간 다중화된 광자 쌍 소스를 모델링한다.
• 스위치와 검출기의 실존적 손실을 고려하여, 검출기 효율(ηd), 스위치 효율(ηs), 화성 효율(ητ)을 핵심 매개변수로 사용한다.
• 분석은 주로 신호 대 잡음비(SNR)를 성능 지표로 사용하며, 이는 단일 광자 상태와 다중 광자 상태의 비율로 정의된다.
• 다양한 구성 요소(소스 수, 검출기 유형 등)에 대해 수치 시뮬레이션을 수행하여 펄스당 화성 확률을 계산한다.
• 모델은 펄스당 평균 광자 수(μ)와 그가 쌍 생성 확률에 미치는 영향을 반영하며, 열 분포 제한(μth(1) = 0.25)에 의해 제약을 받는다.
• Equation 15를 사용해 고정된 SNR = 100 조건에서 비다중화 및 다중화 시스템 간의 Np개의 독립적 화성 단일 광자를 제공하는 데 소요되는 대기 시간을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 검출기 비효율성과 광학 손실은 순수 단일 광자 상태를 생성하는 데 있어 다중화된 광자 쌍 소스의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고정된 신호 대 잡음비 100을 유지하면서 화성 확률을 최대화하기 위해 최적의 소스 수와 펌프 파워는 무엇인가?
• RQ3 다중화는 항상 성능 향상을 가져오는가, 아니면 구성 요소 손실과 검출기 제한으로 인한 상충 관계가 존재하는가?
• RQ4 다른 검출기 유형—바이너리, 가짜 PNR, 진짜 PNR—은 다중화 시스템에서 달성 가능한 SNR와 대기 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비다중화 소스에 비해 다중화 시스템을 사용할 경우, 다수의 화성 단일 광자를 제공하는 데 소요되는 대기 시간은 어느 정도 감소하는가?

주요 결과

• 고효율 PNR 검출기(ηd = 98%, ητ = 99%, ηs = 95%)를 사용해 16개의 소스를 다중화하면 실존적 조건 하에서 결정론적 작동에 가까운 SNR 100을 달성한다.
• SNR가 100일 경우, 펄스당 평균 광자 수가 낮기 때문에 검출기 효율이 약 70%로 제한될 경우 거의 항상 가능한 한 많은 소스를 다중화하는 것이 유리하다.
• 8개의 화성 단일 광자를 제공하는 데 소요되는 대기 시간은 8개의 독립적 비다중화 소스에서 약 300년에서 PNR 검출을 사용한 16중 다중화 시스템으로 줄여 몇 분으로 단축된다.
• 70%의 검출기 효율 조건에서도 16중 다중화와 PNR 검출기를 사용하면 8개 광자에 대한 대기 시간이 10분 미만으로 줄어들어 실용적 성능 향상이 뚜렷하게 나타난다.
• 특정 지점 이상으로 소스 수를 늘려도 누적 손실과 검출기 제한으로 인해 성능 향상이 항상 이루어지지 않으며, 특히 펌프 파워가 최적화되지 않은 경우 더욱 두드러진다.
• 결과적으로 현실적인 구성 요소의 완벽하지 못한 특성은 이상화된 모델 대비 성능 저하를 초래하지만, 다중화는 근접 결정론적 단일 광자 소스를 위한 실현 가능한 길임을 확인한다.