[论文解读] CMOS-compatible, multiplexed source of heralded photon pairs: towards integrated quantum combs

Christian Reimer, Lucia Caspani+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 100

一句话总结

该论文提出了一种与CMOS工艺兼容的集成微环谐振器，可在具有200 GHz信道间隔的频率梳上同时生成多个后选光子对，兼容光纤通信网络和量子存储器。该器件采用自锁泵浦配置，在无需主动稳定的情况下实现鲁棒、低功耗运行，为集成量子光子学中的可扩展多路复用量子光源提供了可能。

ABSTRACT

We report an integrated photon pair source based on a CMOS-compatible microring resonator that generates multiple, simultaneous, and independent photon pairs at different wavelengths in a frequency comb compatible with fiber communication wavelength division multiplexing channels (200 GHz channel separation) and with a linewidth that is compatible with quantum memories (110 MHz). It operates in a self-locked pump configuration, avoiding the need for active stabilization, making it extremely robust even at very low power levels.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、用于片上量子光子学的后选光子对集成光源。
• 通过200 GHz信道间隔实现与现有光纤通信基础设施的兼容性。
• 通过窄线宽（110 MHz）光子对实现与量子存储器的兼容性。
• 通过采用自锁泵浦配置，消除对主动稳定的需求。
• 在单个器件中实现多个独立光子对的同时、多路复用生成。

提出的方法

• 利用与CMOS兼容的氮化硅微环谐振器，支持高Q值光学模式。
• 实施自锁泵浦方案，其中泵浦激光器相位锁定于谐振器模式，从而消除对外部稳定机制的依赖。
• 设计谐振器以支持间隔为200 GHz的多个梳状线，与标准WDM信道匹配。
• 在微环中利用自发四波混频（SFWM）生成频率梳配置下的纠缠光子对。
• 通过优化器件几何形状和材料特性，实现110 MHz的线宽，适用于与量子存储器接口。
• 通过设计使谐振器在不同梳状线上传播多个独立的配对生成过程，实现多路复用。

实验结果

研究问题

• RQ1 与CMOS兼容的集成微环谐振器是否能够实现无需外部控制的多个、同时、独立的后选光子对生成？
• RQ2 泵浦激光器的自锁机制在多大程度上可消除量子光子源中对主动稳定的需求？
• RQ3 能否在200 GHz间隔的频率梳上实现光子对生成的多路复用，以符合电信WDM标准？
• RQ4 所生成的光子对线宽是否足够窄（110 MHz），可与量子存储器接口？
• RQ5 该器件是否能在低泵浦功率下稳定运行，同时保持高配对生成效率和光谱纯度？

主要发现

• 该器件在200 GHz信道间隔的频率梳上实现了多个、同时、独立的后选光子对生成。
• 测得的光子对线宽为110 MHz，满足与量子存储器兼容的要求。
• 自锁泵浦配置实现了无需主动稳定即可保持稳定运行，即使在低泵浦功率下亦然。
• 与CMOS兼容的氮化硅平台支持高Q值共振，对高效频率梳生成至关重要。
• 系统在多个梳状线上实现了多路复用操作，支持可扩展的量子光源。
• 该器件运行配置与现有光纤通信网络兼容，为未来与经典和量子网络的集成铺平了道路。