論文の概要: Fully on-chip photonic turnkey quantum source for entangled qubit/qudit state generation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2206.08715v1
• Date: Fri, 17 Jun 2022 12:14:21 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-09 01:58:49.250063
• Title: Fully on-chip photonic turnkey quantum source for entangled qubit/qudit state generation
• Title（参考訳）: 量子ビット/量子状態生成のための完全オンチップフォトニックターンキー量子源
• Authors: Hatam Mahmudlu, Robert Johanning, Anahita Khodadad Kashi, Albert van Rees, J\"orn P. Epping, Raktim Haldar, Klaus-J. Boller, and Michael Kues
• Abstract要約: 集積フォトニクスは、最近、チップフォーマットにおける光絡み合った量子状態の実現と処理のための主要なプラットフォームとなっている。 ここでは、レーザーキャビティの統合によりこれらの課題を克服する、完全に統合された量子光源を実証する。 ハイブリッド量子源は電気的に励起されたInPゲイン部とSi$_3$N$_4$低損失マイクロリングフィルタを用いる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Integrated photonics has recently become a leading platform for the realization and processing of optical entangled quantum states in compact, robust and scalable chip formats with applications in long-distance quantum-secured communication, quantum-accelerated information processing and non-classical metrology. However, the quantum light sources developed so far have relied on external bulky excitation lasers making them impractical, not reproducible prototype devices, hindering scalability and the transfer out of the lab into real-world applications. Here we demonstrate a fully integrated quantum light source, which overcomes these challenges through the combined integration of a laser cavity, a highly efficient tunable noise suppression filter ($> 55$ dB) exploiting the Vernier effect and a nonlinear microring for entangled photon pair generation through spontaneous four-wave mixing. The hybrid quantum source employs an electrically-pumped InP gain section and a Si$_3$N$_4$ low-loss microring filter system, and demonstrates high performance parameters, i.e., a pair emission over four resonant modes in the telecom band (bandwidth $\sim 1$ THz), and a remarkable pair detection rate of $\sim 620$ Hz at a high coincidence-to-accidental ratio of $\sim 80$. The source directly creates high-dimensional frequency-bin entangled quantum states (qubits/qudits), verified by quantum interference measurements with visibilities up to $96\%$ (violating Bell-inequality) and by density matrix reconstruction through state tomography showing fidelities of up to $99\%$. Our approach, leveraging a hybrid photonic platform, enables commercial-viable, low-cost, compact, light-weight, and field-deployable entangled quantum sources, quintessential for practical, out-of-lab applications, e.g., in quantum processors and quantum satellite communications systems.
• Abstract（参考訳）: 集積フォトニクスは最近、長距離量子セキュリティ通信、量子加速情報処理、非古典的メトロロジーへの応用により、コンパクトでロバストでスケーラブルなチップフォーマットで光絡み合った量子状態の実現と処理のための主要なプラットフォームとなっている。 しかし、これまで開発された量子光源は、外部のバルク励起レーザーを頼りにしており、再現可能なプロトタイプデバイスではなく実用的であり、スケーラビリティを阻害し、研究室から現実世界の応用に移行している。 ここでは、レーザーキャビティと、バーニア効果を利用した高効率な波長可変ノイズ抑制フィルタ(>55$db)と、自発的4波混合による光子対生成のための非線形マイクロリングを組み合わせることで、これらの課題を克服する完全統合量子光源の実証を行う。 ハイブリッド量子源は、電気的に励起されたInPゲイン部とSi$_3$N$_4$低損失マイクロリングフィルタシステムを使用し、テレコムバンドの4つの共振モード(bandwidth $\sim 1$ THz)上の対の放出と、高い偶然と偶然の比で$\sim 620$ Hzの顕著なペア検出率($\sim 80$)を示す。 ソースは高次元の周波数-ビン 絡み合った量子状態(qubits/qudits)を直接生成し、最大9,6\%$(ベル品質違反)の量子干渉測定と、最大99\%$のフィダリティを示す状態トモグラフィーによる密度行列再構成によって検証される。 我々のアプローチはハイブリッドフォトニックプラットフォームを利用することで、量子プロセッサや量子衛星通信システムなどにおいて、実用的かつアウトオブラブな応用のために、商業利用可能な、低コストで、コンパクトで、軽量で、フィールド展開可能な量子源を実現する。

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