[論文レビュー] Spectral correlations among interfering nonidentical photons in universal linear optics

Simon Laibacher, Vincenzo Tamma|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、スペクトル相関（時間や周波数など）を内モードで測定することで、フィルタリングや後選別を用いずに、非同一光子間の量子干渉を回復する手法を提案する。主な貢献は、スペクトル的性質が異なる光子を用いても多光子干渉を可能にし、エンタングルド状態を生成可能にすることであり、ネットワーク内に隠れた対称性を明らかにすることにある。

ABSTRACT

Multiphoton quantum interference underpins fundamental tests of quantum mechanics and quantum technologies. Consequently, the detrimental effect of photon distinguishability in multiphoton interference experiments can be catastrophic. Here, we employ correlation measurements in the photonic inner modes, time or frequency, to restore quantum interference between photons differing in their colors or injection times in arbitrary linear optical networks, without the need for additional filtering or post selection. Interestingly, we demonstrate how harnessing the multiphoton inner-mode quantum information enables to unravel symmetries of multiphoton networks and states and the generation of an entire class of multipartite entangled states with a fixed interferometer. These results are therefore of profound interest for future applications of universal inner-mode resolved linear optics across fundamental science and quantum technologies with photons with experimentally different spectral properties.

研究の動機と目的

• 多光子量子干渉実験における光子の区別可能性の課題に対処すること。
• 非同一光子間の干渉を回復するためのスペクトルフィルタリングや後選別を不要にするための対策。
• 時間／周波数などの内モード量子相関（時間／周波数）を活用して、任意の線形光学ネットワークにおける干渉を回復すること。
• 内モードに分解能を持つ測定を用いて、多光子ネットワークおよび状態における隠れた対称性を明らかにすること。
• 固定された干渉計とスペクトル的に異なる光子を用いて、多粒子エンタングルド状態を決定的に生成可能にするための手法。

提案手法

• 本手法は、光子の内モード（特に時間や周波数自由度）における相関測定を用いて、量子相関を定量化・活用する。
• これらの相関を、色や注入時間に差がある光子が使用されるユニバーサル線形光学ネットワークにおける干渉回復に適用する。
• 外部のフィルタリングや後選別を回避するため、光子の内モードに内在する量子情報に依存する。
• 理論的解析とネットワークの対称性の検討を用いて、干渉回復およびエンタングルド状態生成が可能な条件を同定する。
• このフレームワークは、特定の干渉計設計に依存せず、任意の線形光学ネットワークに一般化可能である。
• 多光子振幅の構造を活用して、干渉回復を可能にする対称性および相関を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィルタリングや後選別を用いずに、線形光学ネットワーク内における非同一光子間の量子干渉をどのように回復できるか。
• RQ2 時間／周波数などの内モード相関が、多光子干渉の回復に果たす役割は何か。
• RQ3 スペクトル相関は、多光子ネットワークおよび状態における隠れた対称性を明らかにできるか。
• RQ4 固定された線形干渉計を用いて、スペクトル的性質が異なる光子を用いて、一連の多粒子エンタングルド状態を生成可能か。
• RQ5 内モードに分解能を持つ測定と、複雑な多光子エンタングルド状態生成との間にどのような関係があるか。

主な発見

• 時間または周波数モードにおけるスペクトル相関は、ユニバーサル線形光学ネットワーク内における非同一光子間の量子干渉を回復可能である。
• 本手法は、追加のフィルタリングや後選別を要せず、決定的動作を実現する。
• 内モードに分解能を持つ測定は、多光子ネットワークおよび状態にこれまで見えなかった対称性を明らかにする。
• 本フレームワークは、1つの固定干渉計とスペクトル的に異なる光子を用いて、一連の多粒子エンタングルド状態を生成可能にする。
• 結果として、多光子干渉が光子の内モードに内在する量子相関のみを用いて保持・制御可能であることが示された。