[論文レビュー] Simultaneous, full characterization of a single-photon state using semiconductor quantum-dot light

Tim Thomay, Sergey V. Polyakov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、半導体量子ドットを用いた単一光子状態の同時かつ包括的特徴付け手法を提示する。2つの二光子数分解検出器を用いて、1回の測定で全光子数、単一光子純度（g²）、不変性（C）、および3次までのフォック状態統計を同時に測定する。この手法は、特に混合状態において従来手法よりも高い効率を達成し、別々の測定による不整合を解消する。

ABSTRACT

As single-photon sources become more mature and are used more often in quantum information, communications and measurement applications, their characterization becomes more important. Single-photon-like light is often characterized by its brightness, and two quantum properties: the single-photon composition and the photon indistinguishability. While it is desirable to obtain these quantities from a single measurement, currently two or more measurements are required. Here, we simultaneously determine the brightness, the single photon purity, the indistinguishability, and the statistical distribution of Fock states to third order for a quantum light source. The measurement uses a pair of two-photon (n = 2) number-resolving detectors. n > 2 number-resolving detectors provide no additional advantage in the single-photon characterization. The new method extracts more information per experimental trial than a conventional measurement for all input states, and is particularly more e cient for statistical mixtures of photon states. Thus, using this n=2, number- resolving detector scheme will provide advantages in a variety of quantum optics measurements and systems.

研究の動機と目的

• 単一光子源の複数の量子特性（全光子数、単一光子純度、不変性、フォック状態統計）を、別々の実験装置を必要とせずに同時に測定することを可能にすること。
• 従来の特徴付け手法の限界を克服すること。これらの手法は単一光子アバランチ検出器（SPAD）とビームスプリッタを用いて独立した測定を必要としている。
• 二光子数分解検出器が、特に混合光子状態において、従来の設定よりも試行ごとにより多くの情報を得られることを示すこと。
• n > 2 の高次数分解検出器が、2次相関測定には利益をもたらさないが、高次状態特徴付けには有益であることを示すこと。
• ボソンサンプリングフレームワークを用いて手法を検証し、既存の測定結果と整合することを確認すること。

提案手法

• Mach-Zehnder干渉計に2つの二光子数分解検出器を用い、2次相関（g²_HBT[0]）と不変性（C）を同時に測定する。
• 従来のSPADとビームスプリッタの代わりに数分解検出器を採用し、各出力ポートでの光子数出力（例：0、1、または2光子）を直接検出可能にする。
• n=2 の数分解検出器のみを用いても、入射フォック状態分布の3次までの統計的情報を完全に抽出できる測定方式を構築する。
• 数分解検出の内在的情報利得を活用し、従来の強度ベースや一致検出ベースの方法よりも、試行ごとにより多くのデータを取得可能にする。
• 干渉回路のユニタリ行列を用いて永久行列を計算し、ボソンサンプリングモデルと照合することで、結果の妥当性を検証する。
• 不確実性のスコア関数を用いて効率性を比較し、Sg2手法が独立したHBTおよびHOM測定よりも測定不確実性をより効果的に低減することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回の測定装置で、全光子数、g²、不変性（C）、および3次までのフォック状態統計を同時に特徴付け可能か？
• RQ2 二光子数分解検出器を用いることで、従来のSPADベースのHBTおよびHOM測定に比べて測定効率に顕著な利点が得られるか？
• RQ3 n > 2 の数分解検出器を用いることで、2次相関測定（g²およびC）に何らかの利点が得られるか？
• RQ4 Sg2手法の情報量と不確実性は、従来のg²およびCの独立測定と比較してどのように異なるか？
• RQ5 ボソンサンプリングフレームワークと永久行列ベースのモデルを用いて、Sg2手法を検証可能か？

主な発見

• Sg2手法は、2つの二光子数分解検出器のみを用いて、全光子数、g²、不変性（C）、および3次までのフォック状態統計を同時に測定可能である。
• 従来のHBTおよびHOM測定よりも測定不確実性をより効果的に低減するが、単一光子純度が低下するほどその効率的利点が増大する。
• 数分解検出器は、SPADとビームスプリッタを組み合わせた手法よりも、特に光子状態の統計的混合状態において、試行ごとにより多くの情報を得られる。
• n > 2 の数分解検出器は、2次相関測定（g²およびC）には利点をもたらさないが、高次状態特徴付けには有益である。
• Sg2手法によるg²_HBT[0]およびCの結果は、ボソンサンプリングモデルから得られた結果と整合しており、手法の正確性が検証された。
• 不確実性スコア関数による確認により、Sg2手法は偏光共通・クロス極化MZI測定に基づく可視度法よりも効率的であることが確認された。