論文の概要: Generation of polarization-entangled Bell states in monolithic photonic waveguides by leveraging intrinsic crystal properties

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.21228v1
• Date: Thu, 26 Jun 2025 13:20:09 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-27 19:53:10.092299
• Title: Generation of polarization-entangled Bell states in monolithic photonic waveguides by leveraging intrinsic crystal properties
• Title（参考訳）: 固有結晶特性を利用したモノリシックフォトニック導波路における偏光絡み合うベル状態の生成
• Authors: Trevor G. Vrckovnik, Dennis Arslan, Falk Eilenberger, Sebastian W. Schmitt,
• Abstract要約: 高度なフォトニック量子技術は、効率的かつスケーラブルな絡み合った光子のチップ上の源を必要とする。 本研究では, 非線形結晶の固有特性を利用して, 構造的に単純な導波路内での偏光絡み合うベル状態の生成を実証する。 チタン酸バリウムは, より広いスペクトル範囲で高い非線形効率と高いコンカレンスを提供することで, ニオブ酸リチウムを一貫して上回ることがわかった。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Advanced photonic quantum technologies -- from quantum key distribution to quantum computing -- require on-chip sources of entangled photons that are both efficient and readily scalable. In this theoretical study, we demonstrate the generation of polarization-entangled Bell states in structurally simple waveguides by exploiting the intrinsic properties of nonlinear crystals. We thereby circumvent elaborate phase-matching strategies that commonly involve the spatial modulation of a waveguide's linear or nonlinear optical properties. We derive general criteria for the second-order susceptibility tensor that enable the generation of cross-polarized photon pairs via spontaneous parametric down-conversion in single-material waveguides. Based on these criteria, we systematically categorize all birefringent, non-centrosymmetric crystal classes in terms of their suitability. Using coupled mode theory, we then numerically analyze cuboid waveguides made from two materials that are highly relevant to integrated photonics: lithium niobate, a well-established platform, and barium titanate, an emerging alternative. We find that barium titanate consistently outperforms lithium niobate by providing a higher nonlinear efficiency and high concurrence over a significantly broader spectral range. These findings outline a practical route toward highly efficient, fabrication-friendly, and scalable sources of polarization-entangled photons for integrated quantum photonic circuits.
• Abstract（参考訳）: 量子鍵分布から量子コンピューティングまで、高度なフォトニック量子技術は、効率的かつ容易にスケーラブルな絡み合った光子のオンチップソースを必要とする。 本研究では, 非線形結晶の固有特性を利用して, 構造的に単純な導波路内での偏光絡み合うベル状態の生成を実証する。 これにより、導波路の線形あるいは非線形光学特性の空間変調を一般的に含む精巧な位相整合戦略を回避できる。 単一材料導波路における自発パラメトリックダウンコンバージョンによる光子対のクロスポーラ化を可能にする第2次感受性テンソルの一般的な基準を導出する。 これらの基準に基づき,両屈折性非対称結晶クラスを適合性の観点から体系的に分類する。 次に, 結合モード理論を用いて, ニオブ酸リチウムとチタン酸バリウムという, 集積フォトニクスに高い関係を持つ2つの材料からなる立方体導波路の数値解析を行った。 チタン酸バリウムは, より広いスペクトル範囲で高い非線形効率と高いコンカレンスを提供することで, ニオブ酸リチウムを一貫して上回ることがわかった。 これらの知見は、集積量子フォトニック回路のための高効率で製造に優しい、スケーラブルな偏光子源への実践的な経路を概説している。

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