[论文解读] Criterion for Single Photon Sources

Juan Camilo López Carreño, Eduardo Zubizarreta Casalengua+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 25被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种基于光子相关函数的k阶相关性的p-范数的新标准，用于评估单光子源，其中3-范数相较于传统的g^{(2)}指标能提供更可靠的评估。研究表明，即使g^{(2)}值表现优异的光源，仍可能因高阶相关性而无法作为真正的单光子发射器，而级联的两能级系统被识别为最佳候选，而单个两能级系统在低功率共振激发下的现有实现方式仍是目前最优方案。

ABSTRACT

We propose a criterion to classify and compare sources of single photons: the $p$-norm of their $k$th-order photon correlations. While ideally one should use the uniform norm with $p ightarrow\infty$, in practice, the 3-norm already allows a meaningful comparison and shows the serious limitations of the usual criterion based on the second order correlation $g^{(2)}$ only. We apply this new criterion to a large family of popular single photon sources and show that some of them do not, in fact, qualify for this function. The best sources from our selections consist of a cascade of two-level systems, improving on the otherwise standard low-power resonant excitation of a single two-level system.

研究动机与目标

• 解决标准g^{(2)}标准在可靠识别真正单光子源方面的不足。
• 开发一种更稳健、具有物理意义的度量标准，用于在不同平台和工作条件下比较单光子源的性能。
• 在有限带宽和滤波等实际检测限制条件下，评估各种单光子源机制的量子非高斯特性。
• 识别出哪些源架构在二阶统计之外真正抑制了多光子发射。
• 通过量化可聚性、效率与真正单光子纯度之间的权衡，指导未来单光子发射器的设计。

提出的方法

• 引入k阶相关函数g^{(k)}的p-范数作为广义性能度量标准，其中p=3被确定为实用且具信息量的指标。
• 使用p-范数分析和比较多种单光子源机制，包括两能级系统、极化激元阻塞和腔耦合发射器。
• 应用该标准评估光谱滤波和探测器带宽对光子统计的影响，表明滤波可能重新引入多光子事件。
• 推导有限探测器分辨率和光谱滤波对两能级系统中实现单光子发射的破坏性干涉机制的影响。
• 使用p-范数评估传统与非传统极化激元阻塞，揭示g^{(2)}值低并不意味着在k≥3时性能良好。
• 考虑腔耦合对发射器性能的影响，表明在弱耦合和快速腔衰减条件下，Purcell增强不会降低两能级系统的单光子特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠广泛使用的g^{(2)}标准能否可靠识别真正的单光子源，还是高阶相关性对于完整评估至关重要？
• RQ2 尽管理论上g^{(2)}=0，光谱滤波和有限探测器带宽如何影响从两能级系统检测到的光子实际统计特性？
• RQ3 为何一些g^{(2)}值极佳的光源在量子信息协议中仍无法作为有效单光子发射器？
• RQ4 当使用更高阶p-范数评估时，非传统极化激元阻塞的性能与传统阻塞相比如何？
• RQ5 哪些发射器架构在单光子纯度、可聚性和实际可行性之间实现了最佳平衡？

主要发现

• p-范数标准，特别是3-范数，相较于仅使用g^{(2)}，能提供更可靠、更全面的单光子源性能评估。
• 传统极化激元阻塞在p-范数下随着非线性增加而持续改善，证实其作为单光子源的有效性。
• 非传统极化激元阻塞尽管g^{(2)}值优异，但在k≥3时表现出强烈的超聚集（super-bunching）现象，无法通过p-范数测试，因此不被视为真正的单光子源。
• 级联两能级系统架构在p-范数度量下优于其他配置，成为未来单光子发射器的最优设计。
• 单个两能级系统在低功率共振激发下的实现方式仍是目前最优方案，因其在实际检测条件下能保持高单光子纯度。
• 在弱耦合和快速腔衰减条件下，腔耦合不会降低两能级系统单光子特性，从而保持了p-范数性能。