[论文解读] Telecom-Band Entanglement Generation for Chipscale Quantum Processing

Kim Fook Lee, Prem Kumar+5 more|ArXiv.org|Jan 17, 2008

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

该论文通过紧凑的反向传播配置，在硅-on-insulator (SOI) 波导中实现了片上四光子散射 (FPS) 生成偏振纠缠光子对。对于非简并光子对，两光子干涉可见度超过91%；对于简并光子对，可见度超过80%，证实了高保真度的量子纠缠，适用于集成量子计算与通信。

ABSTRACT

We demonstrate polarization-entanglement for non-degenerate and degenerate photon-pairs generated through Kerr-nonlinearity in a nano-scale silicon-on-insulator(SOI) waveguide. We use a compact counter propagating configuration to create two-photon polarization-entangled state, |H>|H> + |V>|V>. We observe two-photon interference with visibility > 91% and > 80% for non-degenerate and degenerate photon-pairs, respectively. The experimental structure can be implemented on optical chips as an integrated source of entangled photons for future quantum computer and communication applications.

研究动机与目标

• 开发一种用于实际量子信息处理的集成化、片上偏振纠缠光子源。
• 通过在硅光子学平台中实现片上纠缠光子对生成，克服块状光学器件的局限性。
• 通过紧凑的反向传播配置，展示非简并和简并光子对态中非经典关联与偏振纠缠。
• 通过经典不等式违反和两光子干涉测量验证生成光子对的量子特性。
• 通过在可扩展、集成化的硅基平台上实现高可见度纠缠，为未来量子计算与通信应用铺平道路。

提出的方法

• 利用纳米级SOI波导中的四光子散射 (FPS) 生成工作于电信波段的信号光子与闲频光子对。
• 采用反向传播泵浦配置，生成形式为 |H⟩|H⟩ + |V⟩|V⟩ 的两光子偏振纠缠态。
• 通过波分复用 (WDM) 滤波器进行光谱滤波，分离信号与闲频通道，实现选择性探测与符合测量。
• 采用50/50分束器与符合计数测量两光子干涉 (TPI)，评估纠缠纯度。
• 利用经典不等式违反 (Zou et al., 1991) 确认信号光子与闲频光子之间的非经典关联。
• 通过双光栅滤波器与EDFA放大，对非简并与简并情况下的相位匹配及泵浦功率进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在片上SOI波导中通过四光子散射生成偏振纠缠光子对？
• RQ2 通过该方法生成的非简并与简并光子对态的纠缠保真度如何？
• RQ3 能否通过符合率与偶然率之比及经典不等式违反，实验验证生成光子对的非经典特性？
• RQ4 在集成硅基平台上，非简并与简并情况下的两光子干涉可见度有何差异？
• RQ5 拉曼散射与放大的自发辐射 (ASE) 等背景噪声源在片上系统中对纠缠可见度的影响程度如何？

主要发现

• 在峰值符合率与偶然率之比 (CAR) 约为30时，实验实现了超过6个标准差的经典不等式违反。
• 对于非简并光子对，两光子干涉可见度超过91%，证实了高保真度纠缠。
• 对于简并光子对，两光子干涉可见度超过80%，表明在集成平台中具有鲁棒的偏振纠缠。
• 在优化泵浦功率下，非简并光子对的成对产生率可达0.08，简并光子对可达0.12。
• 在平均泵浦功率为90 μW时，观测到的CAR约为30，表明相关光子对具有高纯度。
• 拉曼散射与放大的自发辐射 (ASE) 噪声被确定为简并情况下可见度受限的关键因素，尤其在较高泵浦功率下更为显著。