[논문 리뷰] Squeezing at a telecom wavelength, a compact and fully guided-wave approach

Florian Kaiser, Bruno Fedrici외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 26.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 40인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 연속파(CW) 파arametric down-conversion을 위한 주기적으로 전위가 가해진 리튬니오브산나트륨 리지 웨이브가이드를 사용하여 통신 파장(1542 nm)에서 처음으로 완전히 가로질러진 웨이브 구동 압축 실험을 수행한다. 검출에는 일반적인 통신 섬유 부품을 사용한다. 이 실험은 −1.83 ± 0.05 dB의 압축을 달성하여, 소형이고 안정적이며 섬유 네트워크 호환 가능한 연속 변수 양자 통신 시스템으로의 중대한 발걸음이다.

ABSTRACT

We demonstrate, for the first time, the realization of an entirely guided-wave squeezing experiment at a telecom wavelength. The state generation relies on waveguide non-linear optics technology while squeezing collection and transmission are implemented by using only telecom fibre components. We observe up to $-1.83\pm0.05$ dB of squeezing emitted at 1542 nm in CW pumping regime. The compactness and stability of the experiment, compared to free-space configurations, represent a significant step towards achieving out-of-the-lab CV quantum communication, fully compatible with existing telecom fibre networks. We believe that this work stands as a promising approach for real applications as well as for "do-it-yourself" experiments

연구 동기 및 목표

• 통신 파장에서 연속 변수 양자 옵티컬을 위한 소형이고 안정적이며 완전히 섬유 호환 가능한 플랫폼을 개발하기 위해.
• 공간 모드 매칭에 민감한 정렬이 필요한 자유공간 설정의 한계를 극복하기 위해.
• 기존의 통신 인fra구조 내에서 실용적인 CV 양자 기술의 구현을 가능하게 하기 위해.
• 오직 상용 부품만을 사용하여 고정밀도, 즉시 사용 가능한 압축된 빛의 생성 및 검출을 실현하기 위해.
• 가로질러진 웨이브 옵티컬 기반의 확장 가능하고 실험실 외부에서도 활용 가능한 양자 통신 네트워크의 길을 열기 위해.

제안 방법

• 1542 nm의 연속파 통신 레이저가 증폭되고 70:30 섬유 비트 스플리터를 통해 분할되며, 더 약한 빔은 로컬 옻스킬로스터(LO)로 사용된다.
• 더 강한 빔은 주기적으로 전위가 가해진 리튬니오브산나트륨 웨이브가이드(PPLN/W)를 사용하여 2배 주파수로 변환되어 771 nm가 된다. 이는 효율적인 제2차 하모닉 생성(SHG)을 위해 사용된다.
• 771 nm의 펌프 빔은 4 cm 길이의 PPLN 리지 웨이브가이드(PPLN/RW)로 유입되어 유형-0 자발적 파라메트릭 다운컨버전(SPDC)을 통해 단일 모드 압축된 진공을 생성한다.
• 생성된 1542 nm의 압축된 빛은 50:50 섬유 비트 스플리터와 InGaAs 광다이오드를 사용하여 섬유 기반의 동조 검출기로 커플링되며, 섬유 스트레처 모듈을 통해 위상 스캔이 수행된다.
• 편광 매칭은 섬유 편광 제어기를 사용하여 확보되며, 모든 구성 요소는 표준 통신 등급의 것으로, 정렬이 필요 없이 즉시 사용 가능한 운영이 가능하다.
• 압축 분산의 이론적 모델을 사용하여 시스템을 校정하며, 검출 효율과 펌프 파wer 스케일링을 위한 피팅 파rameter가 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유공간 옵티컬을 사용하지 않고도, 완전히 가로질러진 웨이브 접근 방식이 통신 파장에서 연속파 단일 모드 압축을 달성할 수 있는가?
• RQ2 상용 통신 섬유 부품이 CV 양자 실험에서 대체로 부피가 큰 광학 요소를 얼마나 대체할 수 있는가?
• RQ3 소형이고 정렬이 필요 없는 설정에서 PPLN 리지 웨이브가이드를 비선형 매질로 사용할 경우, 어떤 정도의 압축을 달성할 수 있는가?
• RQ4 전파 및 검출 손실을 고려할 때, 측정된 압축 성능은 이론적 한계와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 플랫폼은 양자 네트워크에 적합한 이중 모드 얽힘 생성에 쉽게 응용될 수 있는가?

주요 결과

• 연속파 펌프 조건 하에서 1542 nm에서 −1.83 ± 0.05 dB의 압축이 달성되었으며, 반압축은 2.79 ± 0.05 dB로 측정되어 잔여 노이즈가 없는 것을 확인하였다.
• 추정된 검출 효율을 보정한 웨이브가이드 출력에서의 압축은 약 −3.3 dB에 도달하였으며, 이는 연속파 펌프 시스템에서 보고된 바 중 가장 높은 수준이다.
• 피팅된 총 검출 효율은 η_fit = 0.54 ± 0.01이며, 추정된 손실과 일치하며, 웨이브가이드 전파 손실 η_wg ≈ 0.4 dB/cm를 추정할 수 있다.
• 모든 구성 요소가 상용 제품으로만 구성되어 있어, 공간 모드 정렬이나 복잡한 광학 설정이 필요 없이 즉시 사용 가능한 운영이 가능하다.
• 두 개의 동일한 PPLN/RW의 출력을 50:50 섬유 비트 스플리터에서 합성함으로써 이중 모드 압축으로의 확장이 쉽게 가능하며, 높은 해상도의 양자 간섭과 얽힘 생성이 가능하다.
• 측정된 성능는 칩 내부 및 네트워크 기반의 CV 양자 통신의 실현 가능성을 뒷받침하며, 저손실 웨이브가이드와 고효율 검출기의 도입으로 향후 성능 향상이 가능할 것으로 기대된다.