コロンビア大学のエンジニアは、時間レンズを使って、単一光子を他の技術より70倍速く分解し、量子情報処理を前進させるための新たな一歩を踏み出した。 Using a time lens, Columbia Engineers resolve single photons 70x faster than other techniques, another step towards advancing quantum information processing.
2022-06-28 コロンビア大学
レーザーは、特定の周波数で空間を振動する多数の光子を集めたビームである。研究チームが開発した時間レンズにより、個々の光粒子をこれまでよりも速く取り出すことができる。
実験装置は2本のレーザー光で構成され、信号光と「混合」して、異なる周波数の光のパケットを生成する。Joshiたちは、この時間レンズを使って、より大きなビームからピコ秒の分解能で単一光子を識別することができた。これは1秒の10-12に相当し、他の単一光子検出器で観測された速度よりも約70倍速い。
研究チームは、単一の光子を見るだけでなく、そのスペクトル（合成色）を操作して、光子が進む経路を作り変えることもできる。これは、量子情報ネットワークを構築する上で重要なステップとなる。
＜関連情報＞
- https://www.engineering.columbia.edu/news/processing-photons-in-picoseconds
- https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-4-364&id=470834
時間モード量子プロセッシングのためのピコ秒分解能単一光子時間レンズ Picosecond-resolution single-photon time lens for temporal mode quantum processing
Chaitali Joshi, Ben M. Sparkes, Alessandro Farsi, Thomas Gerrits, Varun Verma, Sven Ramelow, Sae Woo Nam, and Alexander L. Gaeta
Optica Published: March 28, 2022
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.439827
Abstract
Techniques to control the spectro-temporal properties of quantum states of light at ultrafast time scales are crucial for numerous applications in quantum information science. In this work, we report an all-optical time lens for quantum signals based on Bragg-scattering four-wave mixing with picosecond resolution. Our system achieves a temporal magnification factor of 158 with single-photon level inputs, which is sufficient to overcome the intrinsic timing jitter of superconducting nanowire single-photon detectors. We demonstrate discrimination of two terahertz-bandwidth, single-photon-level pulses with 2.1 ps resolution (electronic jitter corrected resolution of 1.25 ps). We draw on elegant tools from Fourier optics to further show that the time-lens framework can be extended to perform complex unitary spectro-temporal transformations by imparting optimized temporal and spectral phase profiles to the input waveforms. Using numerical optimization techniques, we show that a four-stage transformation can realize an efficient temporal mode sorter that demultiplexes 10 Hermite–Gaussian (HG) modes. Our time-lens-based framework represents a new toolkit for arbitrary spectro-temporal processing of single photons, with applications in temporal mode quantum processing, high-dimensional quantum key distribution, temporal mode matching for quantum networks, and quantum-enhanced sensing with time-frequency entangled states.
