[论文解读] Exploring the limits of multiplexed photon-pair sources for the preparation of pure single-photon states

Robert J. A. Francis-Jones, Peter J. Mosley|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文研究了空间复用的光子对源，以实现确定性单光子生成，同时考虑了现实中的探测器非效率和光学损耗。结果表明，通过优化泵浦功率和探测器类型，使用高效率的PNR探测器对16个源进行复用，可实现信噪比100，并将8个后选择单光子的等待时间从300年缩短至几分钟，从而为量子技术提供实用的高性能单光子源。

ABSTRACT

Current sources of heralded single photons based on nonlinear optics operate in a probabilistic manner. In order to build quantum-enhanced devices based around the use of single photons, compact, turn-key and deterministic sources are required. A possible solution is to multiplex a number of sources to increase the single-photon generation probability and in so doing reducing the waiting time to deliver large numbers of photons simultaneously, from independent sources. Previously it has been shown that, in the ideal case, 17 multiplexed sources allow deterministic generation of heralded single photons [Christ and Silberhorn, Phys. Rev. A 85, 023829 (2012)]. Here we extend this analysis to include undesirable effects of detector inefficiency and photon loss on a number of multiplexed sources using a variety of different detectors for heralding. We compare these systems for fixed signal-to-noise ratio to allow a direct comparison of performance for real- world heralded single photon sources.

研究动机与目标

• 评估在探测器非效率和光学损耗等现实条件下，复用光子对源的性能极限。
• 确定在保持高信噪比（SNR）的同时，最大化后选择单光子生成概率的最优源数量和泵浦功率。
• 在损耗条件下比较不同探测器类型——二进制、伪PNR和真实PNR——以确定适用于实际实现的最佳配置。
• 量化在使用复用系统与非复用源时，交付多个后选择单光子的等待时间改善程度。
• 为未来利用可实现的组件效率优化复用单光子源提供框架。

提出的方法

• 本研究通过光学开关网络建模空间复用的光子对源，其中从一个光子的后选择探测触发将另一个光子路由至公共输出端口。
• 模型引入了开关和探测器中的真实损耗，使用探测器效率（ηd）、开关效率（ηs）和后选择效率（ητ）作为关键参数。
• 分析以信噪比（SNR）为主要性能指标，定义为单光子态与多光子态的比值。
• 通过数值模拟计算不同配置下的每脉冲后选择概率，包括不同源数量和探测器类型。
• 模型考虑了每脉冲的平均光子数（μ）及其对配对生成概率的影响，受热分布限制（μth(1) = 0.25）。
• 使用公式15计算在固定SNR = 100条件下，交付Np个独立后选择单光子的等待时间，比较非复用与复用系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 探测器非效率和光学损耗如何影响复用光子对源生成纯单光子态的性能？
• RQ2 在固定信噪比100的条件下，为最大化后选择概率，最优的源数量和泵浦功率是什么？
• RQ3 复用是否总是提升性能？是否存在因组件损耗和探测器限制带来的权衡？
• RQ4 在复用系统中，不同探测器类型——二进制、伪PNR和真实PNR——如何影响可实现的信噪比和等待时间？
• RQ5 与非复用源相比，复用在多大程度上能减少交付多个后选择单光子的等待时间？

主要发现

• 使用高效率PNR探测器（ηd = 98%，ητ = 99%，ηs = 95%）对16个源进行复用，可实现信噪比100，在真实条件下接近确定性操作。
• 在SNR为100时，当探测器效率受限于约70%时，几乎总是通过尽可能多地复用源来提升性能，因为每脉冲的平均光子数较低。
• 使用16路复用结合PNR探测，交付8个后选择单光子的等待时间从8个独立非复用源的约300年缩短至几分钟。
• 即使探测器效率为70%，16路复用结合PNR探测器也可将8个光子的等待时间缩短至10分钟以内，展现出显著的实际改进。
• 研究结果表明，当泵浦功率未被最优设置时，源数量超过某一临界值后，性能不再提升，这是由于累积损耗和探测器限制所致。
• 结果证实，与理想化模型相比，现实中的组件缺陷会降低性能，但复用仍是实现近确定性单光子源的可行路径。