[论文解读] High-efficiency single-photon generation via large-scale active time multiplexing

Fumihiro Kaneda, Paul G. Kwiat|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用 8

一句话总结

本论文通过大规模主动时间复用，实现了高效率、可区分性极低的单光子源。利用可调延迟线将40个时间窗口的后选单光子复用，实现了66.7%的光纤耦合单光子概率，且保真度约90%，显著提升了多光子符合率，为可扩展量子光学铺平了道路。

ABSTRACT

On-demand generation of indistinguishable single- and multi-photon states is a key technology for scaling up optical quantum information and communication applications. Nonlinear parametric photon-pair sources and heralded single-photon sources (HSPSs) had been the most standard resource of quantum information applications for decades. However, the intrinsic uncertainty of the produced number of photon pairs in such sources is a critical drawback that prevents on-demand photon-pair and heralded single-photon generation. Here we demonstrate large-scale time multiplexing of indistinguishable heralded single photons, employing a low-loss HSPS and adjustable delay line. We observed 66.7% presence probability of single-photon states collected into a single-mode optical fiber by multiplexing 40 periodic time bins of heralded single photons. To our knowledge, this is the highest fiber-coupled single-photon probability achieved to date. A high indistinguishability (~90%) of our time-multiplexed photons has also been confirmed. We also experimentally investigate trade-off relations of single-photon probability and unwanted multi-photon contribution by using different pump powers for a HSPS. Our results demonstrate that low-loss, large-scale multiplexing can realize highly efficient single-photon generation as well as highly scalable multi-photon generation from inefficient HSPSs. We predict that our large-scale time multiplexing will pave the way toward generation of > 30 coincident photons with unprecedented efficiencies, enabling a new frontier in optical quantum information processing.

研究动机与目标

• 为克服自发参量下转换（SPDC）光源的非确定性特性，该光源每脉冲单光子生成概率上限为25%，主要受限于多对光子发射。
• 实现高单光子生成效率与高保真度并行，这是可扩展光量子计算与量子通信的关键。
• 通过单个高保真度单光子源（HSPS）与可调延迟线，实现大规模、低损耗的后选单光子时间复用，将光子复用至单一输出模式。
• 通过保持复用后光子的光谱与时间可区分性，实现高保真度多光子干涉。
• 预测并验证生成超过30个符合光子的可行性，实现前所未有的效率，推动量子优越性实验发展。

提出的方法

• 采用基于周期极化KTP晶体中自发参量下转换（SPDC）的低损耗后选单光子源（HSPS），通过探测闲频光子来标记信号光子。
• 利用可调延迟线将信号光子的到达时间按泵浦重复周期τ的整数倍进行偏移，实现40个独立时间窗口的时隙复用。
• 通过现场可编程门阵列（FPGA）控制基于皮克尔斯电光开关的光路切换，根据闲频光子的探测时间，将任一时间窗口的后选信号光子路由至单一输出光纤模式。
• 系统采用500 kHz重复频率的泵浦光源与高效率单光子探测器，以最小化多光子噪声并最大化标记概率。
• 利用Hong-Ou-Mandel干涉（HOMI）测量保真度，将复用光子与非复用HSPS的光子进行干涉。
• 复用标记概率计算公式为 $ P_H = 1 - (1 - p)^N $，其中 $ p $ 为单个模式的标记概率，$ N = 40 $ 为时间窗口数。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模时间复用能否显著提升单模光纤中单光子生成概率，突破传统SPDC光源25%的极限？
• RQ2 通过可调延迟线进行复用后，后选单光子的保真度能多大程度得以保持？
• RQ3 在HSPS中调节泵浦功率时，单光子生成概率与多光子噪声之间存在何种权衡？
• RQ4 时分复用的HSPS能否实现足够高的多光子符合率，以支持玻色采样或量子行走等可扩展量子优势实验？
• RQ5 在当前最先进器件条件下，通过何种改进可实现30或50光子符合率的突破？

主要发现

• 实验通过复用40个时间窗口的后选光子，实现了66.7 ± 2.4%的单光子耦合概率，创下新纪录。
• 通过Hong-Ou-Mandel干涉验证了复用光子的保真度，背景扣除后平均光子数μ = 0.004时，可见度达91 ± 4%。
• 在更高泵浦功率（μ = 0.18）下，HOM可见度降至77 ± 3%，但经背景校正后，保真度仍保持在约90%，表明光谱与时间相干性得以保持。
• 源实现了约10^4次/秒的10光子符合率，相比非复用SPDC源（如Wang等，2016年，约0.1次/秒）提升了5个数量级。
• 通过采用更高效率单光子探测器与改进组件，作者预测30光子符合率可达约10^4次/秒，50光子符合率可超过1次/秒。
• 该方法在单光子收集概率 $ P_1 $ 上优于所有现有最先进光源，达到66.7%，远超此前最大值约38.6%。