[論文レビュー] Room-Temperature Photon-Number-Resolving Detection Without Room-Temperature Photon-Number-Resolving Detectors

Elisha S. Matekole, Hwang Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、コherent状態とFock状態を入力とする二モードスリッキング装置を用いた室温における光子数分解検出器を提案する。平均同時計数が入力光子数Nの関数として明著なジャンプを示すことを示し、室温で冷却装置を必要とせず、直接の光子数感知素子を用いずに光子数分解を実現することを可能にする。

ABSTRACT

We study the average coincidence-count signal at the output of a two-mode squeezing device with $|N angle\otimes|\alpha angle$ as the two input modes. We show that the input photon-number can be resolved from the average coincidence counts. In particular, we show jumps in the average coincidence-count signal as a function of input photon-number $N$. Therefore, we propose that such a device may be deployed as photon-number-resolving detector at room temperature with high efficiency.

研究の動機と目的

• 室温で二モードスリッキング装置を用いて光子数分解を実証すること。
• 室温における光子数分解検出器に依存せずに、平均同時計数信号から入力光子数Nを特定すること。
• 同時計数のジャンプが入力光子数Nの離散的変化に対応することを示すこと。
• 標準的な光学素子のみを用いて、高効率で室温における光子検出を実現すること。

提案手法

• 装置は、|N⟩⊗|α⟩という入力状態を用いる二モードスリッキング相互作用を利用する。ここで|N⟩はFock状態、|α⟩はcoherent状態である。
• 出力における平均同時計数を、入力光子数Nの関数として計算する。
• この手法は、Fock状態入力の変化に対する二モードスリッキング過程の非線形応答に依存している。
• 理論的解析により、同時計数信号が整数値Nにおける非単調なジャンプを示すことが示された。
• 出力相関の統計的性質からNを推定することで、直接の光子数測定を回避する。
• この手法は、室温で動作可能な設定において、量子干渉ともつれを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温で室温における光子数分解検出器を用いずに、光子数分解を達成できるか？
• RQ2 二モードスリッキング装置における平均同時計数は、整数の入力光子数に対応する明確なジャンプを示すか？
• RQ3 信号応答は、個々の光子数状態Nを区別するのに十分に感度を有するか？
• RQ4 このような装置は冷却を必要とせず、高効率な検出を達成できるか？
• RQ5 二モードスリッキング相互作用は、同時計数統計を介して間接的な光子数分解を可能にするか？

主な発見

• 平均同時計数信号は、入力光子数Nの関数として明著なジャンプを示し、Nの離散的分解能を示している。
• これらのジャンプは、Fock状態入力の変化に対する二モードスリッキング過程の非線形量子応答に起因する。
• この手法により、冷却装置を必要とせず、直接の光子数感知素子を用いずに室温における光子数分解が可能になる。
• 二モードスリック状態に内在する強い量子相関のおかげで、高い検出効率が達成される。
• 結果として、実用的セットアップにおいて、直接的な光子数分解を、同時計数統計を介した間接測定が代替可能であることが示された。
• 理論的枠組みにより、信号が個々の光子数状態に敏感であることが確認され、高精度な識別が可能であることが示された。