[论文解读] Engineering large-scale entanglement in the quantum optical frequency comb: influence of the quasiphasematching bandwidth and of dispersion

Pei Wang, Wenjiang Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 7

一句话总结

本文研究了由光学参量振荡器（OPO）产生的量子光学频率梳中大规模连续变量纠缠的极限。结果表明，准相位匹配带宽与色散共同制约了纠缠的可扩展性，当色散被补偿时，理论上最大可实现6,700个纠缠的qumode；而在当前实验设置中，由于色散存在，实际极限为3,200个qumode。

ABSTRACT

One of the most scalable methods for continuous-variable quantum computing is to encode quantum information in the quantum optical frequency comb generated by an optical parametric oscillator (OPO). The scalability is limited by the quasiphasematching bandwidth and dispersion of the OPO. We study both factors in this article. The results show that 3200 qumodes are probably entangled in our recent demonstration of a record 60-qumode entanglement.

研究动机与目标

• 确定由OPO生成的量子光学频率梳（QOFC）中纠缠可扩展性的基本极限。
• 研究准相位匹配（QPM）带宽与群速度色散对纠缠qumode数量的影响。
• 评估KTiOPO4晶体中的色散是否限制了OPO实验中纠缠模式的数量。
• 评估色散补偿在恢复准相位匹配带宽全部潜力并提升纠缠规模方面的潜力。
• 将实验测得的60个qumode纠缠记录与基于QPM和色散的理论可扩展性极限相协调。

提出的方法

• 通过理论建模研究周期极化KTiOPO4（PPKTP）晶体中准相位匹配和频生成（SFG）的特性，以表征QPM带宽。
• 采用慢变包络近似和耦合波方程来描述晶体中的非线性光学过程。
• 利用改进的耦合模方程对OPO色散进行数值模拟，该方程考虑了群速度色散（GVD）和腔体失谐。
• 推导出包含线性和二次色散效应的共振模频率的近似解析解。
• 将理论预测与SFG效率的实验测量结果进行比较，以确定QPM带宽。
• 通过评估在色散条件下PDC生成模式与OPO腔模之间的重叠，估算纠缠qumode的最大数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于532 nm泵浦的参量下转换，单周期PPKTP晶体在和频生成中的本征准相位匹配带宽是多少？
• RQ2 KTp晶体中的群速度色散如何影响OPO腔的共振模间距以及PDC生成模式与OPO腔模之间的重叠？
• RQ3 是什么限制了OPO实验中纠缠qumode的数量——准相位匹配带宽还是色散效应？
• RQ4 色散补偿在多大程度上可以恢复准相位匹配带宽的全部潜力以实现纠缠生成？
• RQ5 在当前OPO设置下，综合考虑QPM和色散，理论上可实现的最大纠缠qumode数量是多少？

主要发现

• 在1 cm PPKTP晶体中，和频生成的准相位匹配带宽为4.74 THz（效率达到最大值的99%），表明理论上最多可实现6,700个纠缠qumode。
• 实验测得的QPM带宽为3.18 THz，受限于激光波长可调谐范围，是真实带宽的下限。
• 群速度色散导致OPO腔的共振模间距变得不均匀，降低了与PDC生成模式的重叠，削弱了共振增强效应。
• 对称模式对的平均频率从中心频率偏移约每模式对7.77 Hz，当m ≈ 800个模式时，累积偏移达5 MHz。
• 由于色散影响，有效纠缠qumode数量被限制在3,200个，尽管QPM带宽支持最多6,700个模式。
• 通过色散补偿可恢复全部6,700个qumode纠缠潜力，使PDC模式与OPO腔共振重新对齐。