[论文解读] Linear multiport photonic interferometers: loss analysis of temporally-encoded architectures

Haoyu Qi, L. G. Helt+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

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一句话总结

本文提出一种用于线性多端口光子干涉仪的时序编码链环架构，分析其与空间编码及双环架构的损耗性能对比。结果表明，基于铌酸锂平台的可重构分束器与延迟环链结构可因更低的损耗和更好的集成潜力而优于现有设计，为量子与经典光子应用提供可扩展路径。

ABSTRACT

Implementing spatially-encoded universal linear multiport interferometers on integrated photonic platforms with high controllability becomes increasingly difficult as the number of modes increases. In this work, we consider an architecture in which temporally-encoded modes are injected into a chain of reconfigurable beamsplitters and delay loops, and provide a detailed loss analysis for this and other comparable architectures. This analysis also yields a straightforward and explicit description of the control sequence needed for implementing an arbitrary temporally-encoded transformation. We consider possible physical implementations of these architectures and compare their performance. We conclude that implementing a chain of reconfigurable beamsplitters and delay loops on an integrated lithum niobate platform could outperform comparable architectures in the near future.

研究动机与目标

• 为解决在集成光子芯片上实现大规模、可重构的线性多端口干涉仪时面临的高控制精度与低损耗挑战。
• 为时序编码架构（特别是链环与双环系统）开发损耗分析框架，以实现与空间编码对应结构的直接比较。
• 在真实损耗条件下，评估基于环路的干涉仪在自由空间与芯片集成实现方式下的性能表现。
• 识别最适合实现低损耗、可扩展干涉仪的平台技术，特别是铌酸锂，以服务于量子与经典应用。

提出的方法

• 提出一种链环架构，利用 N−1 个可重构分束器与延迟环，通过光学模式的时序编码实现通用酉变换。
• 通过将基于环路的架构映射为等效的空间编码配置，推导出直观且有效的损耗表达式，从而实现损耗的直接比较。
• 采用解析与数值方法验证，所提出的损耗表达式可作为所有光路平均损耗的可靠启发式近似。
• 通过建模传播损耗、耦合损耗及开关/分束器插入损耗等物理损耗源，对比双环与链环架构的性能。
• 评估自由空间与集成光子实现方式，重点关注铌酸锂与硅等平台的真实损耗参数。
• 推导出在时序编码脉冲中实现任意酉变换的控制序列，提升实际可实现性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在集成平台实现时，时序编码链环干涉仪的整体损耗与空间编码或双环架构相比如何？
• RQ2 基于环路的干涉仪中主导的物理损耗机制是什么？这些机制能否被定量建模？
• RQ3 在真实物理约束下，链环架构是否能实现低于双环架构的有效损耗？
• RQ4 在集成光子平台中，特别是铌酸锂平台，哪种平台最有利于实现链环架构的低损耗性能？
• RQ5 在时序编码系统中，如何显式推导出实现任意酉变换的控制序列？

主要发现

• 在集成平台实现时，链环架构的整体损耗低于双环架构，尤其在传播与耦合损耗较低时表现更优。
• 所提出的损耗表达式可作为平均干涉仪损耗的可靠启发式近似，经由解析与数值分析验证。
• 由于低传播损耗与分束器高度可重构，铌酸锂平台在链环架构中预测性能优于其他集成平台。
• 基于环路的架构的有效损耗可映射为等效空间编码设计的损耗，从而实现直接基准测试与比较。
• 当结合测量诱导的非高斯门时，链环架构可支持通用量子计算，实现可扩展的量子信息处理。
• 该方法可显式生成简单直接的控制序列，用于在时序编码系统中实现任意酉变换，显著提升实际可行性。