[論文レビュー] Temporal Loop Multiplexing: A resource efficient scheme for multiplexed photon-pair sources

Robert J. A. Francis-Jones, Peter J. Mosley|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2015

Photonic and Optical Devices被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、1つの光スイッチと光ファイバー遅延ループを用いて、複数の時間モードからのアイドラー光子を組み合わせることで、予備的発光光子源の性能を向上させるリソース効率の高い時間的ループ多重化を提案する。実用的なパrameterのもとで、15パルスまでの多重化により、成功確率が10倍に向上し、将来的な部品の進化により、ほぼ決定的動作に近い性能が得られる。

ABSTRACT

Single photons are a vital resource for photonic quantum information processing. However, even state-of-the-art single photon sources based on photon-pair generation and heralding detection have only a low probability of delivering a single photon when one is requested. We analyse a scheme that uses a switched fibre delay loop to increase the delivery probability per time bin of single photons from heralded sources. We show that, for realistic experimental parameters, combining the output of up to 15 pulses can yield a performance improvement of a factor of 10. We consider the future performance of this scheme with likely component improvements.

研究の動機と目的

• 低対生成効率および損失のため、予備的発光光子対源における単一光子の送信確率が低いという問題に対処すること。
• 1つの光源の時間モードを再利用することで、空間的多重化と比較してリソースのオーバーヘッドを低減すること。
• 部品数と損失を最小限に抑えつつ、予備的発光単一光子源の成功確率を最大化するスケーラブルな、完全ファイバー構造を設計すること。
• 検出器の非効率性、スイッチ損失、ファイバー減衰などの現実的な不完全要因を考慮した性能評価を行うこと。
• 多重光源量子プロトコルにおいて、多重化深度と部品効率が共同でシステム性能を決定することを示すこと。

提案手法

• パルス状ポンプレーザーが非線形媒質内で信号光子-アイドラー光子対を生成し、信号光子の検出によりアイドラー光子の存在が予備的発光される。
• 予備的発光されたアイドラー光子は2×2光スイッチを介してルーティングされる：出力に直接送るか、レーザーパルス周期と一致する往復時間を持つファイバー遅延ループに送る。
• スイッチは予備的発光検出に基づいて動的にルーティングを行う：予備的発光イベントが発生した場合、現在の光子はループに diverted され、蓄えられた光子が出力に送られる。
• システムはmパルスにわたって光子振幅を蓄積し、最終出力には複数回ループを巡った光子が含まれ、累積損失を受ける。
• 性能は熱的光子数分布を用いてモデル化され、成功確率は個々のパルス成功確率の積として導出され、検出器効率（ηd）、スイッチ損失（ηL）、経路減衰を考慮する。
• 数値シミュレーションにより、固定された信号対雑音比（SNR=100）のもとで、検出器およびスイッチ効率の影響をさまざまな多重化深度で比較評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的ループ多重化は、追加のハードウェアを最小限に抑えながら、予備的発光単一光子源の成功確率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 検出器効率（ηd）とスイッチ損失（ηL）が、複数時間モードにわたる多重化による性能向上をどのように共同で制限するか？
• RQ3 実用的部品パrameterのもとで、単一光子送信確率を最大化するために最適な多重化深度（m）は何か？
• RQ4 将来的な部品改善（例：ηd=0.98、ηL=0.95）により、このアーキテクチャを用いて、ほぼ決定的単一光子発生を実現できるか？
• RQ5 複数回のループ通過による累積損失は、特に初期に生成された光子に対して、全体の成功確率にどのように影響するか？

主な発見

• 実用的パラメータ（ηd=0.7、ηL=0.8）のもとで15パルスの多重化を行うと、非多重化源と比較して単一光子送信確率が10倍向上する。
• 検出器効率が低い（ηd < 0.7）場合、成功確率はηdの増加に伴い急激に増加し、高い効率により多光子汚染を過度に避けることなく平均光子数を高められる。
• スイッチ損失は深刻なボトルネックである：ηL < 0.5の場合、多数のパルスでの多重化は過度な減衰のため、恩恵をもたらさない。
• 将来的な部品（ηd=0.98、ηL=0.95）を用いる場合、15の多重化深度では決定的単一光子放出に近づき、成功確率は1に近づく。
• 成功確率は検出器効率とスイッチ損失の相乗作用に極めて敏感であり、高効率では検出器効率が支配的であり、低効率ではスイッチ損失が利得を制限する。
• 成功確率の表面プロット（図4d）は、時間的ループ多重化の潜在的性能を実現するには、検出器とスイッチの両方の高効率が不可欠であることを確認している。