[논문 리뷰] Fiber-Optic Sources of Quantum Entanglement

Prem Kumar, X. Li외 4명|ArXiv.org|2002. 09. 20.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준 통신 섬유에서 두 개의 수직으로 편광된 지연 펄스로 구동되는 비선형 섬유 사강 링 구조를 사용하여 편광 얽힌 광자 쌍의 전면 섬유 소스를 제시한다. 두 개의 별개의 펌프 펄스로부터 생성된 신호 및 아이들 광자들이 서로 구분 불가능한 성질을 이용함으로써, 시스템은 >90%의 간섭 가시도를 달성하여 고정도 양자 얽힘을 입증하였으며, 이는 1.5 μm 대역에서의 양자 통신 응용 분야에 적합하다.

ABSTRACT

We present a fiber-based source of polarization-entangled photon pairs that is well suited for quantum communication applications in the 1.5$μ$m band of standard telecommunication fiber. Quantum-correlated signal and idler photon pairs are produced when a nonlinear-fiber Sagnac interferometer is pumped in the anomalous-dispersion region of the fiber. Recently, we have demonstrated nonclassical properties of such photon pairs by using Geiger-mode InGaAs/InP avalanche photodiodes. Polarization entanglement in the photon pairs can be created by pumping the Sagnac interferometer with two orthogonally polarized pulses. In this case the parametrically scattered signal-idler photons yield biphoton interference with $>$90% visibility in coincidence detection, while no interference is observed in direct detection of either the signal or the idler photons.

연구 동기 및 목표

• 표준 통신 인fra구조와 호환되는 섬유 기반의 양자 얽힌 광자 쌍 소스를 개발하기 위해.
• 대규모 결정 기반 소스의 한계를 극복하여 전면 섬유 구조에서 높은 모드 순도를 달성하기 위해.
• 단지 섬유 구성 요소와 표준 섬유 비선형성을 사용하여 편광 얽힘을 구현하기 위해.
• 실용적이고 확장 가능한 플랫폼에서 비가역적 양자 상관관계를 검증하기 위해 높은 가시도 간섭을 달성하기 위해.

제안 방법

• 비균일한 4파면 혼합을 통해 신호 및 아이들 광자 쌍을 생성하기 위해 분산 이동 섬유(DSF)를 사용하는 비선형 섬유 사강 간섭계(NFSI)를 활용한다.
• 가정 감지 및 배경 노이즈 억제를 위해 약 3 ps 펄스, 75.3 MHz 반복 주기의 모드 잠금 펌프 소스를 사용한다.
• 신호 및 아이들 채널에서 서로 구분 불가능한 내림개질 사건을 만들기 위해 사강 루프를 두 개의 수직으로 편광된 시간적으로 지연된 펄스로 구동한다.
• 100 dB 이상의 펌프 대 신호 제거율을 달성하기 위해 자유공간 이중 격자 스펙트럼 필터를 사용한다. 이는 단일 광자 수준의 감지를 가능하게 한다.
• 함께 감지된 신호 및 아이들 광자 감지를 위해 게이팅된 게이저 모드 InGaAs/InP 양자 증폭 광다이오드를 사용한다.
• 두 펌프 펄스 간의 상대 위상을 변화시키면서 신호 및 아이들 지점에서의 동시 감지 수를 모니터링함으로써 간섭 가시도를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 통신 섬유를 사용하여 완전히 섬유 기반의 시스템에서 편광 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 사강 간섭계에서 두 개의 수직으로 편광된 펌프 펄스를 사용할 경우, 동시 감지에서 어떤 정도의 간섭 가시도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 단일 광자 수준에서 비가역적 상관관계 측정을 통해 생성된 광자 쌍의 양자적 성질을 검증할 수 있는가?
• RQ4 전면 섬유 설계는 대규모 결정 기반 소스에 비해 모드 순도를 어느 정도 유지하는가?
• RQ5 이 시스템은 고정도 얽힘 감지를 가능하게 하기 위해 고전적 배경 노이즈와 우연의 동시 감지 현상을 어떻게 억제하는가?

주요 결과

• 두 개의 수직으로 편광된 펌프 펄스 간의 상대 위상을 스캔할 때, 동시 감지에서 >90%의 이중광자 간섭 가시도를 달성한다.
• 단일 채널 감지에서는 신호 또는 아이들 감지 수율에 위상 의존성이 관찰되지 않아, 간섭은 오직 동시 감지에서만 발생함을 확인하였으며, 이는 비가역적 행동의 상징이다.
• 측정된 동시 감지 수율은 펌프 위상에 따라 사인 함수 형태의 의존성을 보이며, 고전적 간섭 무늬의 주기의 반만을 가지므로 이중광자 간섭의 양자적 성질을 확인한다.
• 신호 및 아이들 광자 수가 펌프 광자 수의 제곱에 비례함을 확인하여 선형 산란 대비 주로 4광자 혼합이 지배적임을 증명하였으며, 적합된 제곱 계수 s₂ > s₁임을 확인하였다.
• 게이팅 감지 및 스펙트럼 필터링을 통해 우연의 동시 감지 수를 최소화하여 신호 대 노이즈 비율을 두 배수 개선하였다.
• 이 시스템은 표준 통신 섬유에서 단지 섬유 구성 요소와 표준 비선형성을 사용하여 편광 얽힘을 생성할 수 있음을 입증하였으며, 확장 가능한 양자 네트워크를 가능하게 한다.