集積化チップで量子光の色を変える(Changing the color of quantum light on an integrated chip)

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量子コンピューターや量子ネットワークを発展させる可能性のあるデバイス Device could advance quantum computing and quantum networks

2022-12-01 ハーバード大学

光フォトンは、量子情報のキャリアとして理想的である。しかし、量子コンピュータや量子ネットワークを構築するためには、光子の色や周波数、帯域幅を同じにする必要がある。しかし、光子の周波数を変えるにはエネルギーを変える必要があり、集積化されたフォトニックチップでは特に困難である。
このほど、研究者らは、単一光子の周波数と帯域幅を効率的に変更できる集積型電気光学変調器を開発した。このデバイスは、より高度な量子コンピューティングや量子ネットワークに利用できる可能性がある。
今回の研究では、ニオブ酸リチウム薄膜に新しい変調器デザインを採用し、デバイスの性能を大幅に向上させることができた。この集積型変調器を用いて、単一光子のテラヘルツ周波数シフトを記録的に高くすることができた。
研究チームはまた、同じ変調器を「時間レンズ」-空間ではなく時間で光を曲げる虫眼鏡-として使って、光子のスペクトルの形を太ったものから痩せたものに変えた。

<関連情報>

集積化ニオブ酸リチウム変調器による非古典光パルスのスペクトル制御 Spectral control of nonclassical light pulses using an integrated thin-film lithium niobate modulator

Di Zhu,Changchen Chen,Mengjie Yu,Linbo Shao,Yaowen Hu,C. J. Xin,Matthew Yeh,Soumya Ghosh,Lingyan He,Christian Reimer,Neil Sinclair,Franco N. C. Wong,Mian Zhang & Marko Lončar
Light: Science & Applications  Published:17 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41377-022-01029-7

Abstract

Manipulating the frequency and bandwidth of nonclassical light is essential for implementing frequency-encoded/multiplexed quantum computation, communication, and networking protocols, and for bridging spectral mismatch among various quantum systems. However, quantum spectral control requires a strong nonlinearity mediated by light, microwave, or acoustics, which is challenging to realize with high efficiency, low noise, and on an integrated chip. Here, we demonstrate both frequency shifting and bandwidth compression of heralded single-photon pulses using an integrated thin-film lithium niobate (TFLN) phase modulator. We achieve record-high electro-optic frequency shearing of telecom single photons over terahertz range (±641 GHz or ±5.2 nm), enabling high visibility quantum interference between frequency-nondegenerate photon pairs. We further operate the modulator as a time lens and demonstrate over eighteen-fold (6.55 nm to 0.35 nm) bandwidth compression of single photons. Our results showcase the viability and promise of on-chip quantum spectral control for scalable photonic quantum information processing.

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