[论文解读] Squeezing at a telecom wavelength, a compact and fully guided-wave approach

Florian Kaiser, Bruno Fedrici+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 40被引用 32

一句话总结

该论文首次在电信波长（1542 nm）下实现了全波导模式的压缩态实验，采用周期极化锂 niobate 波导（PPLN/RW）实现连续波（CW）参量下转换，并利用现成的电信光纤组件进行探测。实验实现了−1.83 ± 0.05 dB的压缩，标志着向紧凑、稳定且兼容光纤网络的连续变量量子通信系统迈出了重要一步。

ABSTRACT

We demonstrate, for the first time, the realization of an entirely guided-wave squeezing experiment at a telecom wavelength. The state generation relies on waveguide non-linear optics technology while squeezing collection and transmission are implemented by using only telecom fibre components. We observe up to $-1.83\pm0.05$ dB of squeezing emitted at 1542 nm in CW pumping regime. The compactness and stability of the experiment, compared to free-space configurations, represent a significant step towards achieving out-of-the-lab CV quantum communication, fully compatible with existing telecom fibre networks. We believe that this work stands as a promising approach for real applications as well as for "do-it-yourself" experiments

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、稳定且完全兼容光纤的连续变量量子光学平台，适用于电信波长。
• 通过消除对准敏感的空间模式匹配，克服自由空间装置的局限性。
• 实现在现有电信基础设施中实际部署连续变量量子技术。
• 仅使用商用组件，实现高保真度、即插即用的压缩光生成与探测。
• 为基于波导光学的可扩展、非实验室环境量子通信网络铺平道路。

提出的方法

• 使用波长为1542 nm的连续波电信激光，经放大后通过70:30光纤分束器分束，较弱光束用作本振（LO）。
• 较强光束通过周期极化锂 niobate 波导（PPLN/W）实现频率倍频，高效生成771 nm的二次谐波（SHG）。
• 将771 nm泵浦光耦合进入4 cm长的PPLN脊形波导（PPLN/RW），通过类型0自发参量下转换（SPDC）生成单模压缩真空态。
• 生成的1542 nm压缩光通过50:50光纤分束器耦合至基于InGaAs光电二极管的光纤式同态探测器，并通过光纤拉伸模块实现相位扫描。
• 利用光纤偏振控制器确保偏振匹配，所有组件均为标准电信级，实现无需对准的即插即用操作。
• 通过压缩方差的理论模型对系统进行标定，拟合参数包括探测效率和泵浦功率的标定系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 全波导方法是否可在不使用自由空间光学的情况下，在电信波长下实现连续波单模压缩？
• RQ2 在连续变量量子实验中，商用电信光纤组件在多大程度上可替代块状光学元件？
• RQ3 在紧凑且无需对准的设置中，使用PPLN脊形波导作为非线性介质可实现多大程度的压缩？
• RQ4 在考虑传输和探测损耗后，实测压缩性能与理论极限相比如何？
• RQ5 该平台是否可轻松扩展用于生成两模纠缠，适用于量子网络？

主要发现

• 在连续波泵浦条件下，1542 nm波长下测得−1.83 ± 0.05 dB的压缩，反压缩分量为2.79 ± 0.05 dB，证实无额外噪声。
• 经估计探测效率校正后，波导输出端的推断压缩度达到约−3.3 dB，为目前连续波泵浦系统中报道的最佳值之一。
• 拟合得到的整体探测效率为η_fit = 0.54 ± 0.01，与估计损耗一致，并可推导出波导传输损耗约为η_wg ≈ 0.4 dB/cm。
• 系统仅使用商用现成组件即实现即插即用操作，无需空间模式对准或复杂光学调节。
• 通过将两台相同PPLN/RW的输出在50:50光纤分束器上合束，该平台可轻松扩展为两模压缩态生成，实现高可见度量子干涉与纠缠态生成。
• 实测性能支持了芯片级与网络化连续变量量子通信的可行性，未来通过低损耗波导和高效率探测器可进一步提升性能。