自発的ダウンコンバージョン源で生成された多光子パルス間のゲイン誘起群遅延の観察

自発パラメトリック ダウンコンバージョン (SPDC) と自発四光波混合は、独自の量子特性を持つ多光子光ビームを生成できる強力な非線形光学プロセスです。これらのプロセスを活用して、量子力学効果を利用するコンピューター プロセッサやセンサーなど、さまざまな量子テクノロジーを作成することができます。

カナダ国立研究評議会とモントリオール工科大学の研究者らは最近、SPDCプロセスで現れる影響を観察する研究を実施した。彼らの論文は、 物理的なレビューレターは、SPDC で生成された多光子パルスにおけるゲイン誘起の群遅延の観察を報告しています。

「この論文のインスピレーションは、SPDC と呼ばれるプロセスの研究から生まれました」と論文の上級著者である Nicolás Quesada 氏は Phys.org に語った。 「特定のマテリアルが紫色の光子（粒子光の材料）を受け取り、それを 2 つの赤い光子に変換できると言うのは一口に過ぎません。

「これは、物理学者が興味深い相関関係を持った光を生成できる非常に多用途な現象です。2つの『娘』の赤い光子が同時に生まれ、『母』の紫色の光子と全く同じエネルギーと運動量を持っている必要があるからです。」

過去数十年にわたり、SPDC は数多くの物理学研究の焦点となってきました。これまでのところ、このプロセスは主に特定の体制で研究されており、研究者らは各実験実行中に約100回に1回、1つの紫色の光子を2つの赤い光子に変換した。

「博士課程の期間、私は 2 つの娘光子を生成する確率が 1 に近づき始め、その後、この点を超えて実験の実行ごとに 2 つ以上の光子を生成すると何が起こるかを研究しました」とケサダ氏は述べました。

「私たちは、娘フォトンが生まれる色がわずかに変化し始め、さらに、プロセスの効率（「紫」フォトンあたり何個の「赤」フォトンが生まれるか）も変化することを発見しました。」

Quesada が実験ごとに 2 つ以上の娘光子を生成する可能性を最初に検討し始めたとき、これを実験的に測定する方法をまだ特定していませんでした。しかし今年、彼の同僚のギヨーム・テッカダスは、ペアをほとんど作らない状態から多くのペアを作る状態に至るまでの、色のわずかな変化が娘光子の到達時間の違いにも反映される可能性があることに気づいた。

「SPDCプロセスによって生成される光子の数が増加すると、2つの娘光子の到着時間にずれが生じることが観察されました」とThekkadath氏は説明した。

「この効果を調査するために、従来の SPDC 実験装置に 2 つの重要な変更を加えました。まず、超短 (フェムト秒) パルスを送信できる高出力レーザーを使用し、そのエネルギーを非常に短いバーストに圧縮しました。これらのパルスはさらに増幅され、第二に、光子の到着時間を高精度で測定するために、「スペクトル干渉法」と呼ばれる技術を実装しました。」

Thekkadath、Quesada、および彼らの同僚は、高出力レーザーによって生成された光子を、長さ数 km の光ファイバーを通して通過させ、光子パルスを時間的に引き延ばしました。その後、彼らは、並外れたタイミング分解能で単一光子を検出できる高感度デバイスである超伝導ナノワイヤ検出器を使用して、光子の到着時間を記録した。

彼らが収集した結果により、SPDC ソースで生成された多光子パルス間にゲイン誘起の群遅延が存在することが確認されました。この観察は、量子干渉を利用するデバイスの将来の開発に重要な意味を持つ可能性があります。

「我々の結果は、異なる明るさで光子ペアを生成する（平均して異なる数のペアを生成する）SPDC光源からの光を干渉する場合には特に注意する必要があることを示唆している」とケサダ氏は述べた。

「注意を怠ると、2 つの異なる発生源からの光子が異なるタイミングで干渉計に到着すると、ホン・オウ・マンデル干渉として知られる量子力学的な偉業を実行することができなくなります。この干渉により、量子コンピューターが可能になります。古典的なコンピューターの能力を超える軽さです。」

この最近の論文の共著者の 1 人である Martin Houde は、最近、放出されるレーザー パルスの明るさに関係なく、光子が同時に放射される、より優れた SPDC 光源の設計を試みています。ケサダ氏とモントリオール工科大学の同僚らは、誤差の原因となる可能性のある光子の到着時間の違いが光量子コンピューターの機能にどのような影響を与えるかを解明しようとしている。

「私たちのSPDC光源は比較的『明るく』、通常は単一のペアしか生成しないほとんどの光源と比較して、何百もの娘光子ペアを生成しました」とテッカダス氏は付け加えた。

「しかし、これらの光子の多くは光検出器に到達する前に失われています。これらの損失は、レンズなどの光学素子からの反射や光ファイバーによる不完全な捕捉など、さまざまな理由で発生します。ペアから 1 つの光子を失うと、光子の検出が中断されるため、問題が発生します。量子相関は、量子強化センサーなどの技術に不可欠です。」

次の研究の一環として、カナダ国立研究評議会のテッカダス氏と同僚は、量子デバイスにおける光損失を最小限に抑える戦略を考案しようとしている。さらに、彼らは、関連する光子の損失に関係なく、研究している光子ペア源を量子センシングとコンピューティングにどのように利用できるかを決定しようとしています。

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