[论文解读] Climbing the Fock ladder: Advancing multiphoton state generation

M. Engelkemeier, Jan Sperling+6 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于反馈的、时分复用的参量下转换方案，通过使用后选光子相干地激发后续非线性过程，迭代构建高光子数 Fock 态。通过利用环形传播与量子反馈，该方法相较于直接后选的方案显著提高了成功概率——在四光子态情况下最高实现 100 倍的提升——同时保持高保真度，并实现了传统技术难以达到的非经典态生成，其主要限制因素为环路损耗。

ABSTRACT

A scheme for the enhanced generation of higher photon-number states is realized, using an optical time-multiplexing setting that exploits a parametric down-conversion source for an iterative state generation. We use a quantum feedback mechanism for already generated photons to induce self-seeding of the consecutive nonlinear process, enabling us to coherently add photons to the light that propagates in the feedback loop. The addition can be carried out for any chosen number of round trips, resulting in a successive buildup of multiphoton states. Our system is only limited by loop losses. The looped design is rendered possible by a carefully engineered waveguide source that is compatible with and preserves the shape of the propagating mode. We compare the fidelities and success probabilities of our protocol with the common direct heralding of photon-number states. This comparison reveals that, for same the fidelity, our feedback-based setup significantly enhances success probabilities, being vital for an efficient utilization in quantum technologies. Moreover, quantum characteristics of the produced states are analyzed, and the flexibility of producing higher photon-number states with our setup beyond the common direct heralding is demonstrated.

研究动机与目标

• 为克服直接后选高光子数 Fock 态时成功概率呈指数衰减的问题。
• 开发一种可扩展的、基于反馈的多光子态生成方法，以提升效率与保真度。
• 证明在传统直接后选方法限制之外构建更高光子数态的可行性。
• 分析环路损耗对时分复用反馈架构中非经典性与态质量的影响。

提出的方法

• 利用基于波导的参量下转换（PDC）源与时间复用的光路环，实现泵浦脉冲与信号光子的重复相互作用。
• 采用量子反馈机制，其中后选的闲频光子触发后续的 PDC 事件，从而在环路中实现光子的相干叠加。
• 通过空间与时间比特复用结合单光子探测器，实现近似的光子数分辨以完成后选。
• 应用电光调制器，在经过预定次数的往返后，确定性地耦出生成的多光子态。
• 采用压缩参数 |ζ| ≈ 0.3 控制 PDC 过程，并在现实损耗条件下模拟系统行为。
• 通过负性 𝒩 与统计显著性分析非经典性，以评估生成态的量子特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与直接后选相比，基于反馈的迭代方案是否能显著提升高光子数 Fock 态的生成成功率？
• RQ2 环路损耗如何影响时分复用反馈架构中生成的多光子态的非经典性与保真度？
• RQ3 在多次往返中，何种最优后选点击模式可最大化非经典性与统计显著性？
• RQ4 该反馈机制是否能在保持高保真度与非经典性的同时，实现 n > 4 光子的 Fock 态生成？

主要发现

• 对于 n = 4 光子态，基于反馈的方案（FH）的成功概率达到 0.0316 ± 1.53×10⁻⁴ ‰，相比直接后选（DH）在相近保真度下实现了 100 倍的提升。
• 反馈生成的四光子态保真度达到 99.98 ± 6.63×10⁻⁴ %，高于相同条件下直接后选的保真度。
• 实验中，由于环路损耗，非经典性（𝒩）随光子数增加而下降；但无损耗模拟显示非经典性随光子数增加而上升，证实环路损耗为主要限制因素。
• 对于五光子态，后选模式（2,3）的统计显著性最高（1.0），优于（1,4），尽管两者非经典性相近，但前者检测事件率更高。
• 该方案成功实现了六光子态的生成，其非经典性 𝒩 ≈ -1.8×10⁻⁴，显著性为 1.7，证明了在四光子以上态生成的可行性。
• 在相近保真度条件下，通过反馈生成四光子态的成功概率为 0.298 ± 0.0006，显著高于直接后选实现的 0.0119 ± 9.24×10⁻⁵ ‰。