単一光子の決定論的スイッチングを可能にする光ファイバー内群速度「不整合」カー効果

光纤中的群速度“不匹配”克尔效应实现了单光子的确定性切换

基本信息

批准号：
21K18902
负责人：
金田文寛
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18902/
关键词：
光子光スイッチ量子光学単一光子光カー効果

项目摘要

単一光子は量子情報処理における有力な量子ビット媒体であり、その操作には極限の低損失化、高速化、高精度化が要求されている。しかし、ほぼ全ての光スイッチング素子は、その物理的大きさによって、低損失性か高速性の一方しか達成できていない。本研究では、現在成功的に商用化されている数少ない低損失光閉じ込めデバイスである光ファイバーと、その内部で起こる、高速な光パルスの重なりに基づく全光学的単一光子スイッチングの実証を目標として研究を実施している。本年度では、昨年度設計したカー効果用光ファイバーを中心とした光学系を構築し、ゲート光パルスと単一光子パルスの2つの異なる波長で高いファイバー結合効率を実現した（>90%）。しかし、その後学内異動等のために実験継続が困難となり、ノイズ光子や偏波ドリフト等の評価を実施することはできなかった。一方で、1300 nm帯での単一光子発生手法において、昨年度明らかにした自発パラメトリック下方変換の群速度整合に加え、分極構造の制御による高い純粋度をもつ伝令付き単一光子発生法を発見した。これは本研究の単一光子のスイッチングの実証のみならず、光通信Oバンドにて高精度な光量子情報処理を実現するための重要光源となる可能性をもつ。さらに、昨年度新手法として実証した電気光学スイッチングによる偏光状態に依存しない新たな単一光子スイッチング手法において、ナノ秒の分解能をもつ世界で最も低損失なスイッチの実証に成功した。

单光子是量子信息处理中强大的量子比特介质，其运行需要极低的损耗、高速、高精度。然而，几乎所有光开关元件只能实现低损耗或高速，具体取决于其物理尺寸。在这项研究中，我们的目标是演示基于光纤内部发生的高速光脉冲重叠的全光单光子切换，这是目前成功商业化的少数低损耗光学限制装置之一。出去。今年，我们以去年设计的克尔效应光纤为核心构建了光学系统，在门光脉冲和单光子脉冲两种不同波长下实现了高光纤耦合效率（>90%）。然而，由于内部传输等原因，实验变得难以继续，并且无法评估噪声光子、偏振漂移等。另一方面，在1300 nm波段的单光子产生方法中，除了去年揭示的自发参量下转换的群速度匹配之外，我们还发现了一种基于信使的高纯度单光子产生方法，控制极化结构。这不仅有可能在本研究中演示单光子开关，而且有可能成为O波段光通信中实现高精度光量子信息处理的重要光源。此外，在去年作为新方法进行演示的不依赖于使用电光开关的偏振状态的新单光子开关方法中，我们成功地演示了具有纳秒分辨率的世界上最低损耗的开关。