[論文レビュー] Resolving Photon Numbers Using Ultra-High-Resolution Timing of a Single Low-Jitter Superconducting Nanowire Detector

G. Sauer, Mirco Kolarczik+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、電気的パルス波形の超高分解能タイミングを活用することで、1つの低ジッタな超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用いて光子数分解能（PNR）検出を実現することを示している。検出器出力パルスの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方を1ピコ秒未塔の分解能で分析することで、通信Cバンドにおいて最大5光子までのシングルショットPNRを達成し、多重化や複雑なキャリブレーションを必要とせず、高効率で高繰り返りレートの量子状態評価を可能にする。

ABSTRACT

Photon-number-resolving (PNR) detectors are a key enabling technology in photonic quantum information processing. Here, we demonstrate the PNR capacity of conventional superconducting nanowire single-photon detectors by performing ultra-high-resolution time-tagging of the detector-generated electrical pulses. This method provides a viable approach for PNR with high detection efficiency and a high operational repetition rate. We present the implementation of such a PNR detector in the telecom C-band and its characterization by measuring the photon-number statistics of coherent light with tunable intensity. Additionally, we demonstrate the capabilities of the detection method by measuring photon-number correlations of non-classical states.

研究の動機と目的

• 従来のSNSPDが、電気的パルス波形の超高分解能タイムタグ記録のみを用いて光子数分解能を達成できることを示すこと。
• SNSPDがしきい値検出器としての制限を、波形ダイナミクスを活用することでPNR機能に拡張すること。
• 通信Cバンドで1つの検出器を用いて実用的なPNR検出方式を実装・特徴付けること。
• 調整可能な光子数を持つコherent状態と非古典的N00N状態を用いて、手法の妥当性を検証すること。
• 量子オプティクス実験室において、多重化やTESベースのPNR検出器に代わる低コストでスケーラブルな代替手段を提供すること。

提案手法

• 1ピコ秒未塔の分解能で、超伝導ナノワイヤー検出器が生成する電気的パルスを超高速タイムタグ記録すること。
• SNSPDパルス波形の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの両方をしきい値ベースで分析し、光子数を推定すること。
• 平均光子数を調整可能な0.3 psパルスコherent光源を用いてキャリブレーションおよび特徴付けを行うこと。
• ホン・オウ・マンデル干渉計を用いたタイプIIのSPDCにより生成されたN00N状態の共同光子数分布（JPND）を測定すること。
• パルスエッジ到着時刻の統計的分類により、光子数モードを区別し、ポisson統計と照合して検証すること。
• 光学パルスの検出器到着時刻を正確に特定するために、リファレンスポンプパルスまたはビームスプリッターを用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの従来型SNSPDが、電気的パルス波形の超高分解能タイムタグ記録のみを用いて光子数分解能を達成できるか？
• RQ2 SNSPDパルスの立ち上がりエッジに加えて立ち下がりエッジのタイミングを分析することで、立ち上がりエッジのみの場合と比較して光子数の区別能が向上するか？
• RQ3 この手法は、1ショット測定においてどの程度の光子数を分解能で解釈できるか？観測可能な最大光子数は何か？
• RQ4 このアプローチは、平均光子数を変化させたコherent状態の光子数統計をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ5 この手法は、N00N状態のような非古典的状態の共同光子数分布を効果的に測定できるか？

主な発見

• 本手法は、1つのSNSPDを用いて、超高分解能タイミングにより、1ショット測定で最大5光子まで分解能を達成した。
• 立ち下がりエッジのタイミングを含めることで、光子数モードの区別能が顕著に向上し、2次元の時間差ヒストグラムの境界に最適なモード分離が達成された。
• コherent状態の測定光子数分布は、理論的なポisson統計と優れた一致を示し、手法の正確性を裏付けた。
• N=2のN00N状態の共同光子数分布は正常に測定され、|2,0⟩および|0,2⟩成分が明確に区別可能であり、システム効率は約30%であった。
• 本手法により、高繰り返りレートのPNR検出が高効率かつ最小限のインfra構築で可能となり、多重化や複雑なTESベースのシステムを回避できる。
• 本手法は光損失に対して頑健であり、標準的な量子オプティクス実験室で広く利用可能なSNSPDを用いたPNR特徴付けの実用的ルートを提供する。