Research Abstract


フォトニック回路は、必要な部品をすべて作ることができれば、計測可能な量子技術を開発する有望なルートである。武居らは、結合共振器光導波路を用いたオンチップ単一光子バッファを報告する。これは、もつれを保持しながら、光子対の一方の光子を150 ps遅延させることができた。

An on-chip coupled resonator optical waveguide single-photon buffer

2013年11月12日 Nature Communications 4 : 2725 doi: 10.1038/ncomms3725

現在、集積化量子光回路は、単一光子量子情報処理を実現する最も有望な方法であると考えられている。そうした回路の基本要素として、光子源、量子ゲート、光子検出器などが既に実現されている。しかし、オンチップの単一光子量子情報処理に必要な重要な機能の中で、量子状態を保持するための量子バッファーが実現されていなかった。このバッファーにより光子を一定時間保持することで、回路中の光子の同期が容易になる。今回我々は、400個の高Qフォトニック結晶線欠陥ナノ共振器からなる結合共振器光導波路(CROW)を用いた、オンチップ単一光子バッファーについて報告する。CROWを用いて、パルス状の単一光子を、非古典的性質を維持しながら150 ps保持し、また保持時間を50 ps調整することに成功した。さらに、時間位置量子もつれ状態にある光子対の一方の光子を蓄積し取り出すことによって、我々のバッファーが量子もつれを保持することも示している。今回の結果は、全光集積化量子情報プロセッサーへの重要な一歩である。

武居 弘樹1, 松田 信幸1,2, 倉持 栄一1,2, William J. Munro1 & 納富 雅也1,2

  1. 日本電信電話株式会社 NTT物性科学基礎研究所
  2. 日本電信電話株式会社 NTTナノフォトニクスセンタ
Integrated quantum optical circuits are now seen as one of the most promising approaches with which to realize single-photon quantum information processing. Many of the core elements for such circuits have been realized, including sources, gates and detectors. However, a significant missing function necessary for photonic quantum information processing on-chip is a buffer, where single photons are stored for a short period of time to facilitate circuit synchronization. Here we report an on-chip single-photon buffer based on coupled resonator optical waveguides (CROW) consisting of 400 high-Q photonic crystal line-defect nanocavities. By using the CROW, a pulsed single photon is successfully buffered for 150 ps with 50-ps tunability while maintaining its non-classical properties. Furthermore, we show that our buffer preserves entanglement by storing and retrieving one photon from a time-bin entangled state. This is a significant step towards an all-optical integrated quantum information processor.